Đề tài cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon

1
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đề tài: “Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu
ứng trƣờng (FET) sử dụng ống nano carbon” là công trình của tôi. Tất cả các
xuất bản đƣợc công bố chung với các cán bộ hƣớng dẫn khoa học và các đồng
nghiệp đã đƣợc sự đồng ý của các tác giả trƣớc khi đƣa vào luận án. Các kết quả
trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất
cứ một luận án nào khác.

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012
Tác giả luận án


Nguyễn Thị Thủy

2
LỜI CẢM ƠN
*******
Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu 4 năm tại viện ITIMS đã giúp
tôi có thêm rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong công tác nghiên cứu khoa học.
Cùng với sự quan tâm chỉ bảo tận tình, chu đáo của Ban giám đốc, của các Thầy cô
giáo, toàn thể cán bộ Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) tới nay tôi
đã có thể hoàn thành luận án tiến sĩ:
“Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trƣờng (FET)
sử dụng ống nano carbon”
Để có đƣợc thành quả này, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS
Nguyễn Đức Chiến và TS. Mai Anh Tuấn - những ngƣời thầy đã nhiệt tình chỉ bảo,
định hƣớng và giúp đỡ về mặt khoa học để tôi có thể hoàn thành đề tài luận án tiến
sĩ.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban giám đốc, toàn thể cán bộ Viện đào tạo quốc
tế về khoa học vật liệu (ITIMS); Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (HAST);
Viện đào tạo sau đại học - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện khoa học Việt
Nam đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất, hỗ trợ về chuyên môn cũng nhƣ thủ tục
hành chính trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu Trƣờng Đại học điện lực;
Khoa điện tử viễn thông - Trƣờng Đại học điện lực đã tạo mọi điều kiện để hỗ trợ
tôi trong thời gian đi học và đóng góp những ý kiến quí báu về mặt chuyên môn
trong quá trình thực hiện đề tài luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu, Tiến sỹ Phƣơng
Đình Tâm, Thạc sỹ Nguyễn Văn Toán, Tiến sỹ Trần Quang Huy, Tiến sỹ Chu Thị
Xuân, Tiến sỹ Phạm Đức Thành, các anh chị đã chỉ dẫn cho tôi những kiến thức và
kỹ năng thực nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn nhóm cảm biến sinh học - Viện ITIMS. Tất cả các kết
quả của luận án đều đƣợc thực hiện và giúp đỡ của các anh, chị, em trong nhóm
nghiên cứu. Tôi xin chúc các anh, chị, em may mắn và thành đạt trên con đƣờng

nghiên cứu khoa học trong tƣơng lai.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã động
viên giúp đỡ trong thời gian qua cả về vật chất lẫn tinh thần, sự trợ giúp về chuyên

3
môn, các công việc có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến luận án, v.v… đã giúp
tôi hoàn thành bản luận án này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến chồng và hai con tôi, những
ngƣời đã động viên, chia sẻ những khó khăn trong suốt thời gian tôi làm luận án.

Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012
Tác giả luận án


Nguyễn Thị Thủy

4
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 11
MỞ ĐẦU 17
CHƢƠNG I. CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG
TRƢỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 21
I.1 GIỚI THIỆU VI KHUẨN E.COLI 21
I.2 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC 22
I.3 GIỚI THIỆU ỐNG NANO CARBON 25
I.3.1 Cấu tạo của ống nano carbon 25
I.3.2 Tính chất của ống nano carbon 28
I.3.3 Phƣơng pháp chế tạo ống nano carbon 29
I.4 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC MOS
(MOSFET) 30
I.5 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON
(CNTFETs) 33
I.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CNTFETs 33
I.5.2 Công nghệ chế tạo CNTFETs 35
I.5.2.1 Transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon cực cổng dƣới 35
I.5.2.2 Transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon cực cổng trên 37
I.6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ADN 38
I.7 CÁC PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH ADN LÊN BỀ MẶT ỐNG NANO CARBON
CHO CẢM BIẾN SINH HỌC. 40
I.7.1 Phƣơng pháp hấp phụ vật lý 41

I.7.2 Phƣơng pháp liên kết cộng hoá trị 43
I.8 CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ CNTFETs PHÁT HIỆN LAI HOÁ
ADN 46
I.9 KẾT LUẬN 47

5
CHƢƠNG II. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH VÀ PHÂN TÁN ỐNG
NANO CARBON ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC
VÀ CHẾ TẠO CNTFETs 49
II.1 GIỚI THIỆU 49
II.1.1 Các phƣơng pháp biến tính CNTs 49
II.1.2 Các phƣơng pháp phân tán ống nanno carbon (CNTs) 51
II.2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 53
II.2.1 Vật liệu hoá chất 53
II.2.2 Quy trình biến tính và phân tán ống nano carbon 54
II.2.2.1 Xây dựng hệ thiết bị phản ứng 54
II.2.2.2 Phƣơng pháp biến tính ống nano carbon (CNTs) 55
II.2.2.3 Phƣơng pháp phân tán ống nano carbon trong dung dịch DMF 56
II.2.3 Cố định ADN sử dụng ống nano carbon lên vi điện cực 56
II.2.3.1 Thông tin về cảm biến 57
II.2.3.2 Phƣơng pháp cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt cảm biến 57
II.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60
II.3.1 Phân tán ống nano carbon trong dung dịch DMF 60
II.3.1.1 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 60
II.3.1.2 Hình thái bề mặt của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 61
II.3.1.3 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 62
II.3.1.4. Phổ tán xạ Raman của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 62
II.3.1.5 Phổ hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 63
II.3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân tán của CNTs trong dung dịch DMF
63

II.3.2.1 Ảnh hƣởng của thời gian rung siêu âm đến quá trình phân tán CNTs 65
II.3.2.2 Ảnh hƣởng của giá trị pH đến quá trình phân tán CNTs 67
II.3.3 Cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon 69
II.3.3.1 Phân tán ống nano carbon trong dung dịch ADN 69

6
II.3.3.2 Đặc trƣng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon 70
II.3.4 Đặc trƣng đáp ứng ra của cảm biến 72
II.3.4.1 Thời gian đáp ứng của cảm biến 72
II.3.4.2 Đặc trƣng tín hiệu ra của cảm biến 73
II.4 KẾT LUẬN 74
CHƢƠNG III. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANSISTOR HIỆU ỨNG
TRƢỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 75
III.1 GIỚI THIỆU 75
III.2 THIẾT KẾ CNTFETs 76
III.2.1 Cấu tạo CNTFETs cực cổng dƣới 76
III.2.2 Thiết kế mặt nạ (MASK) cho CNTFETs 77
III.2.3 Thiết kế bản mạch in cho CNTFETs cực cổng dƣới 80
III.3 CHẾ TẠO CNTFETs CỰC CỔNG DƢỚI 81
III.3.1 Vật liệu hoá chất 81
III.3.2 Qui trình chế tạo CNTFETs cực cổng dƣới 81
III.4 HÀN DÂY VÀ ĐÓNG GÓI 93
III.4.1 Hàn dây 93
III.4.2 Đóng gói CNTFETs cực cổng dƣới 94
III.5 XÂY DỰNG HỆ ĐO VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TÍNH CNTFETs 95
III.5.1 Hệ đo 95
III.5.2 Phƣơng pháp đo đặc tính điện CNTFETs 95
III.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 96
III.6.1 Hình thái CNTFETs 96
III.6.2 Tính chất tiếp xúc kim loại S/D-CNTs 97

III.6.3 Đƣờng đặc tuyến ra I
D
–V
DS
của CNTFETs 99
III.6.4 Đặc tuyến truyền đạt I
D
–V
GS
của CNTFETs 100
III.6.5 Các thông số của CNTFETs 101
III.6.6 Ảnh hƣởng của trễ điện đến tín hiệu ra của CNTFETs 105

7
III.6.7 Ảnh hƣởng của chiều dài kênh đến các đặc trƣng của CNTFETs 107
III.7 KẾT LUẬN 108
CHƢƠNG IV. PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ
TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) ĐỂ
PHÁT HIỆN LAI HÓA ADN CỦA VI KHUẨN E.COLI 109
IV.I GIỚI THIỆU 109
IV.2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 110
IV.2.1 Vật liệu hoá chất 110
IV.2.2 Thông tin về cảm biến 110
IV.2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm 111
IV.2.3.1. Xử lý bề mặt cảm biến trƣớc khi cố định ADN 111
IV.2.3.2 Phƣơng pháp cố định ADN 111
IV.2.4 Đo đặc trƣng nhạy của cảm biến 114
IV.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 115
IV.3.1 Đặc trƣng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon 115
IV.3.1.1 Ảnh hiển vi điện tử quét 115

IV.3.1.2 Đặc trƣng phổ hồng ngoại FTIR 116
IV.3.1.3 Đặc trƣng ảnh hiển vi huỳnh quang 118
IV.3.1.4 Đặc trƣng phổ Raman 119
IV.3.2 Đặc trƣng đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs 120
IV.3.2.1 Đặc trƣng tín hiệu cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli 120
IV.3.2.2 Đặc trƣng tín hiệu lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli 121
IV.3.2.3 Thời gian đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs 123
IV.3.2.4 Độ nhạy của cảm biến sinh học CNTFETs 124
IV.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng của quá trình cố định ADN dò đến tín hiệu ra của cảm
biến sinh học CNTFETs 126
IV.3.3.1 Ảnh hƣởng của nồng độ ADN dò 126
IV.3.3.2 Ảnh hƣởng của thời gian cố định ADN dò 128

8
IV.3.3.3 Ảnh hƣởng của giá trị pH 129
IV.3.4 Độ ổn định của cảm biến sinh học CNTFETs…………………………….130
IV.3.4.1 Ảnh hƣởng của phủ màng BSA 130
IV.3.4.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lai hoá 131
IV.3.4.3 Thời gian sống của cảm biến sinh học CNTFETs 132
IV.3.4.4 Độ lặp lại của cảm biến sinh học CNTFETs 133
IV.4 KẾT LUẬN 134
KẾT LUẬN CHUNG 136
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 138
TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

9
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
TT
Viết tắt
Từ tiếng Anh đầy đủ
Nghĩa tiếng Việt
1
ADN
Deoxyribonucleic acid
Axit nucleic
2
ARN
Ribonucleic acid
Axit ribonucleic
3
APTS
Amino Propyl Triethoxy Silane
Chất APTS

4
BSA
Bovine serum albumin
Albumin huyết thanh bò
5
CNTs
Carbon nanotubes
Ống nano carbon
6
CVD
Chemical vapour deposition
Lắng đọng hoá pha hơi
7
COOH
Carboxyl
Nhóm chức cacboxylic
8
CNTFETs
Field effect transistor based on
carbon nanotube
Transistor hiệu ứng
trƣờng trên cơ sở ống
nano carbon
9
DMF
Dimethylformamide
Chất DMF
10
D
Drain

Cực máng
11
EDC
1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)
carbodiimide hydrochloride
Chất EDC
12
ELISA
Enzyme linked immuno sorbent
assay
Thử nghiệm hấp phụ
miễn dịch gắn men
13
FET
Field effect transistor
Transistor hiệu ứng
trƣờng
14
FM
Fluorescence microscopy
Hiển vi huỳnh quang
15
FE-SEM
Field Emision Scanning Electron
Microscope
Hiển vi điện tử quét phát
xạ trƣờng
16
FTIR
Fourier transform infrared

spectroscopy
Phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier
17
G
Gate
Cực cổng
18
GTD
Glutaraldehyde
Chất GTD
19
HIV
Human immunodeficiency virus
Virus gây suy giảm miễn
dịch cho ngƣời
20
MWCNT
Multi-walled carbon nanotube
Ống nano carbon đa
tƣờng
21
MOS
Metal oxide semiconductor
Kim loại ôxít bán dẫn
22
MOSFET

Metal oxide semiconductor field
effect transistor

Transistor hiệu ứng
trƣờng cấu trúc kim loại
ôxít bán dẫn
23
NMP
N-methylpyrrolidone
Chất NMP
24
NHS
N-hydroxysulfo-succinimide
Chất NHS

10
25
ISFET
Ion sensitive field effect transistor
Transistor hiệu ứng
trƣờng nhạy ion
26
PBS
Phosphate buffered saline
Muối đệm phốt phát
27
PCR
Polymerase chain reaction
Phản ứng chuỗi polyme
28
QCM
Quartz crystal microbalance
Vi cân tinh thể thạch anh

29
S
Source
Cực nguồn
30
SWCNT
Single-walled carbon nanotube
Ống nano carbon đơn
tƣờng
31
SMCC
Succinimidyl 4 - (N-
maleimidomethyl) cyclohexane-1-
carboxylate
Chất SMCC
32
TEM
Transmission electron microscopy
Hiển vi điện tử truyền
qua
33
TOAB
Tetra-n-octylammonium bromide
Chất TOAB
34
UV-Vis
Ultraviolet-visible
Tử ngoại-khả kiến

11
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử vi khuẩn E.coli 22
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học. 23
Hình 1.3 Cấu tạo của ống nano carbon. 26
Hình 1.4 Hình ảnh mô phỏng ống nano carbon đơn tƣờng và đa tƣờng . 26
Hình 1.5 Vector chiral miêu tả cấu tạo của CNTs . 27
Hình 1.6 Cấu trúc của các dạng ống nano cacbon khác nhau đƣợc định nghĩa theo
giá trị của n, m . 27
Hình 1.7 Ống nano carbon bán dẫn và kim loại . 28

Hình 1.8 Tổng hợp CNTs bằng phƣơng pháp CVD có sử dụng các hạt xúc tác nano
vàng . 29
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của MOSFET 30
Hình 1.10 Mô tả mạch điện tƣơng đƣơng của một MOSFET 31
Hình 1.11 Đặc tuyến I
D
- V
DS
của MOSFET. 33
Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo của CNTFETs. 34
Hình 1.13 Đƣờng đặc tuyến truyền đạt I
D
- V
GS
của CNTFETs………………… 34
Hình 1.14 Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử của CNTFETs cực cổng dƣới 35
Hình 1.15 Đƣờng đặc tuyến ra I
D
- V
DS
của CNTFETs 36
Hình 1.16 Cấu trúc CNTFETs cực cổng dƣới 38
Hình 1.17 Cấu trúc CNTFETs cực cổng trên …………………………………… 39
Hình 1.18 Cấu trúc và sự lai hóa của phân tử ADN . 39
Hình 1.19 Các đoạn ADN đƣợc hấp phụ trên bề mặt ống nano carbon 41
Hình 1.20 Phƣơng pháp chung để chức năng hoá ống nano carbon. 44
Hình 1.21 Cố định ADN lên trên ống nano carbon . 45
Hình 1.22 Phép đo độ dẫn theo điện áp cực cổng (G-V
GS
) 47

Hình 2.1 Biến tính CNTs bằng axit và sau đó thực hiện chuyển hóa tiếp theo để tạo
các nhóm chức este và amid. 50
Hình 2.2 Biến tính CNTs thông qua các phản ứng thế nhóm florua trên CNTs. 50

12
Hình 2.3 Các phản ứng cộng hợp để gắn các nhóm chức lên CNTs. 51
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thiết bị phản ứng để biến tính CNTs. 54
Hình 2.5 Ảnh hệ thiết bị phản ứng biến tính CNTs. 54
Hình 2.6 Sơ đồ các bƣớc biến tính CNTs bằng phƣơng pháp ôxi hoá. 55
Hình 2.7 Quy trình phân tán CNTs trong dung dịch DMF. 56
Hình 2.8 Vi cảm biến có cấu hình 10 µm x10 µm. 57
Hình 2.9 Cố định ADN -CNTs lên vi điện cực. 58
Hình 2.10 Sơ đồ hệ đo sử dụng bộ khuếch đại Lock-in RS 830. 59
Hình 2.11 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trƣớc và sau khi biến
tính. 60
Hình 2.12 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs phân tán trong dung dịch
DMF trƣớc và sau khi biến tính 61
Hình 2.13 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trƣớc và
sau khi biến tính. 62
Hình 2.14 Phổ tán xạ Raman của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trƣớc và sau
khi biến tính. 63
Hình 2.15 Phổ hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trƣớc và
sau khi biến tính. 64
Hình 2.16 Hình ảnh của CNTs đã biến tính phân tán trong dung dịch DMF với các
thời gian rung siêu âm khác nhau 65
Hình 2.17 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với các
thời gian rung siêu âm khác nhau 66
Hình 2.18 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs phân tán trong dung dịch
DMF phủ trên đế silíc với thời gian rung siêu âm. 67
Hình 2.19 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với giá trị pH khác

nhau. 67
Hình 2.20 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với giá trị
pH khác nhau. 68
Hình 2.21 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch có chứa chuỗi ADN dò của
vi khuẩn E.Coli . 69

13
Hình 2.22 Ảnh FE -SEM và ảnh TEM của CNTs phân tán trong dung dịch có chứa
chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli. 70
Hình 2.23 Phổ FTIR của CNTs , chuỗi ADN đơn, CNTs đƣợc cố định ADN dò của
vi khuẩn E.Coli. 71
Hình 2.24 Đáp ứng của cảm biến, nồng độ ADN dò 10 μM, nhiệt độ 30
0
C. 72
Hình 2.25 Đặc trƣng lai hóa của chuỗi ADN đích của vi khuẩn E.Coli với nồng độ
chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli 10 μM, tại nhiệt độ 30
0
C . 73
Hình 3.1 Cấu tạo transistor hiệu ứng trƣờng trên cơ sở mạng lƣới ống nano carbon
cực cổng dƣới. 77
Hình 3.2 Hình dạng các mask đƣợc thiết kế chế tạo CNTFETs cực cổng dƣới. 78
Hình 3.3 Hình dạng phóng to các mask đƣợc thiết kế chế tạo CNTFETs cực cổng
dƣới. 78
Hình 3.4 Các thông số của CNTFETs cực cổng dƣới . 79
Hình 3.5 Các thông số chiều dài kênh khác nhau của CNTFETs. 80
Hình 3.6 Hình các mask đã đƣợc chế tạo. 80
Hình 3.7 Mạch in thiết kế cho CNTFETs cực cổng dƣới. 81
Hình 3.8 Quy trình chế tạo CNTFETs cực cổng dƣới. 83
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo hệ ôxi hóa nhiệt khô. 85
Hình 3.10 Lò ôxi hóa nhiệt khô. 85

Hình 3.11 Tạo nhóm OH lên bề mặt phiến. 86
Hình 3.12 Quá trình xử lý nhiệt bề mặt phiến 86
Hình 3.13 Cấu trúc phân tử APTS. 87
Hình 3.14 Hệ quang khắc. 89
Hình 3.15 Phiến CNTFETs cực cổng dƣới chế tạo với cùng độ rộng kênh W = 700
m, độ dài kênh khác nhau 5, 10, 15 m 92
Hình 3.16 Bản mạch in với cấu hình phù hợp linh kiện CNTFETs từ khâu thiết kế
đến cắt phiến để đóng vỏ. 93
Hình 3.17 Máy hàn dây 7400C, Westbond Inc., USA. 93
Hình 3.18 CNTFETs cực cổng dƣới sau khi đóng gói 94

14
Hình 3.19 Hình ảnh hệ đo của máy HP 4155C để đo đặc trƣng I
D
- V
GS
và I
D
- V
DS

của CNTFETs. 95
Hình 3.20 Sơ đồ phân cực cho CNTFETs. 96
Hình 3.21 Màn hình giao diện để cài đặt các thông số trong quá trình đo đƣờng đặc
trƣng I
D
-V
DS
và I
D

-V
GS
. 96
Hình 3.22 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTFETs cho cả 3 kênh. 97
Hình 3.23 Đƣờng đặc trƣng I
D
-V
DS
của CNTFETs trong miền tuyến tính . 99
Hình 3.24 Đƣờng đặc tuyến ra I
D
-V
DS
của CNTFETs trong miền bão hoà………99
Hình 3.25 Đƣờng đặc tuyến truyền đạt I
D
-V
GS
của CNTFETs với V
GS
từ 10 V đến
-10 V bƣớc 0.1 V, V
DS
từ -0.5 V đến -1.5 V bƣớc -0.5 V cho cả 3 mẫu. 100
Hình 3.26 Đặc tuyến truyền đạt I
D
-V
GS
thang tuyến tính của CNTFETs 101
Hình 3.27 Đặc tuyến truyền đạt I

D
-V
GS
thang lôgarit của CNTFETs……………102
Hình 3.28 Đƣờng đặc tuyến g
m
-V
GS
tại V
DS
= - 0.5 V của CNTFETs………… 103
Hình 3.29 Đặc tuyến g
d
– V
DS
của CNTFETs…………………………………….104
Hình 3.30 Hiện tƣợng trễ điện của CNTFETs. 106
Hình 3.31 Các đặc trƣng phụ thuộc chiều dài kênh của CNTFETs. 107
Hình 4.1 Transistor hiệu ứng trƣờng sử dụng mạng lƣới ống nano carbon làm kênh
dẫn, có kích thƣớc chiều dài kênh là 15 µm, chiều rộng kênh 700 µm. 111
Hình 4.2 Cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon
của CNTFETs 113
Hình 4.3 Sơ đồ mô tả chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli hấp phụ lên bề mặt ống
nano carbon……………………………………………………………………….113
Hình 4.4 Hệ đo sử dụng thiết bị phân tích tham số bán dẫn HP 4155C. 114
Hình 4.5 Màn hình giao diện để cài đặt các thông số trong quá trình đo đƣờng đặc
tính điện I
D
-V
GS

của cảm biến CNTFETs. 115
Hình 4.6 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs và ADN /CNTs . 116
Hình 4.7 Phổ FTIR ống nano carbon, ống nano carbon đƣợc cố định ADN. 117
Hình 4.8 Ảnh hiển vi huỳnh quang của CNTs và ADN /CNTs. 118

15
Hình 4.9 Phổ Raman ống nano carbon đƣợc cố định ADN và ống nano carbon
không đƣợc cố định ADN. 119
Hình 4.10 Đặc tuyến truyền đạt I
D
-V
GS
của cảm biến CNTFETs trƣớc và sau khi cố
định ADN. 121
Hình 4.11 Đặc tuyến truyền đạt I
D
-V
GS
của cảm biến CNTFETs trƣớc và sau khi lai
hóa ADN. 122
Hình 4.12 Đặc tuyến truyền đạt I
D
-V
GS
của cảm biến CNTFETs khi chƣa cố định
ADN dò, khi đƣợc cố định chuỗi ADN dò lên trên bề mặt ống nano carbon và sau
khi lai hóa ADN. 122
Hình 4.13 Đáp ứng của cảm biến CNTFETs với nồng độ ADN đích khác nhau,
nồng độ ADN dò của vi khuẩn E.Coli là 10 μM, nhiệt độ 30
0

C. 123
Hình 4.14 Đặc tuyến truyền đạt I
D
-V
GS
của cảm biến CNTFETs khi lai hóa ADN
của vi khuẩn E.Coli ở các nồng độ khác nhau. 125
Hình 4.15 Ảnh hƣởng của nồng độ ADN dò của vi khuẩn E.Coli đối với tín hiệu ra
của cảm biến sinh học CNTFETs. 127
Hình 4.16 Ảnh hƣởng của thời gian cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli đến tín
hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs. 128
Hình 4.17 Ảnh hƣởng của giá trị pH đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học
CNTFETs. 129
Hình 4.18 Ảnh hƣởng của màng BSA đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học
CNTFETs. 130
Hình 4.19 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lai hoá tới tín hiệu ra của cảm biến sinh học
CNTFETs. 131
Hình 4.20 Đặc trƣng I
D
-V
GS
của cảm biến sinh học CNTFETs thay đổi theo thời
gian, ADN dò = 10 M, ADN đích = 1 pM, T = 30
0
C. 133
Hình 4.21 Tín hiệu ra của cảm biến sau hai lần lai hoá ADN của vi khuẩn E.Coli.
134

16
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Trình tự ADN đặc hiệu của vi khuẩn E.Coli sử dụng trong luận án…….53
Bảng 3.1 Các thông số của CNTFETs cực cổng dƣới 79
Bảng 3.2 Tóm tắt quy trình xử lý bề mặt 84
Bảng 3.3 Các thông số của quá trình ôxi hóa khô 85
Bảng 3.4 Các thông số quang khắc……………………………………………… 89
Bảng 3.5 Các thông số của quá trình phún xạ Cr 90
Bảng 3.6 Các thông số của quá trình phún xạ Pt 90
Bảng 3.7 Thông số ủ phiến 91
Bảng 3.8 Các thông số của quá trình bốc bay nhôm 92
Bảng 3.9 Các thông số hàn dây 94
Bảng 3.10 Điện áp ngƣỡng của các CNTFETs 102
Bảng 3.11 Giá trị dòng điện mở, dòng điện dò, tỷ số dòng điện bật - tắt của các
CNTFETs…………………………………………………………………………103
Bảng 3.12 Độ hỗ dẫn cực đại của các CNTFETs. 104
Bảng 3.13 Độ dẫn cực đại và điện trở của các CNTFETs ở trạng thái bật 105
Bảng 3.14 Độ linh động lỗ trống trong CNTs của các CNTFETs. 105
Bảng 4.1 Trình tự ADN đặc hiệu của vi khuẩn E.coli sử dụng trong luận án 110
Bảng 4.2 So sánh kết quả phát hiện lai hoá ADN của vi khuẩn E.Coli gây bệnh của
một số loại cảm biến sinh học 126

17
MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế, gia tăng dân số, hội nhập toàn cầu
là sự phát sinh các dịch bệnh nguy hiểm nhƣ: viêm đƣờng hô hấp cấp tính (SARS),
cúm A/H
5
N
1
, sốt phát ban, sốt xuất huyết Dengue, viêm não Nhật Bản, tiêu chảy
cấp đe dọa đến sức khoẻ cộng đồng [14]. Phát hiện, khống chế và ngăn chặn kịp
thời các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm là yêu cầu cấp thiết nhằm giảm thiểu nguy
cơ tác hại đến sức khoẻ và những thiệt hại về mặt kinh tế, xã hội. Chính vì vậy, phát
hiện nhanh, nhạy và sàng lọc mầm bệnh truyền nhiễm là mấu chốt để ngăn chặn quá
trình lây lan của tác nhân gây bệnh bằng biện pháp cách ly hay điều trị kịp thời [50].
Hiện nay chúng ta đã có một số phƣơng pháp phát hiện vi rút, vi khuẩn gây
bệnh nhƣ: phƣơng pháp phản ứng chuỗi polyme  PCR (Polymerase Chain
Reaction) [27, 42, 132], phƣơng pháp  ELISA (Enzyme  Linked ImmunoSorbent
Assay) [61], phƣơng pháp nuôi cấy tế bào [5]. Phƣơng pháp PCR là một phƣơng
pháp đã đƣợc sử dụng thƣờng xuyên trong y sinh học và công nghệ thực phẩm.
Nguyên lý cơ bản của phƣơng pháp này là dựa vào sự thay đổi nhiệt độ bắt cặp của
chuỗi ADN để xác định lai hóa. Phƣơng pháp ELISA là phƣơng pháp dựa trên phản

ứng sự miễn dịch có sử dụng kháng thể gắn enzyme chuyển hóa các cơ chất không
màu thành có màu, sau đó, máy quang phổ kế đƣợc sử dụng để đo mức độ phản ứng
thông qua quá trình đo mức độ hấp phụ ánh sáng đơn sắc của dịch màu. Phƣơng
pháp nuôi cấy tế bào có kết quả thu đƣợc trong vòng từ 2 ngày đến 10 ngày. Những
phƣơng pháp này thƣờng có độ nhạy cao, có thể phát hiện ADN ngay ở khối lƣợng
rất nhỏ, rất đặc hiệu, kết quả phân tích định lƣợng. Tuy nhiên, tất cả các phƣơng
pháp này đều có một đặc điểm thời gian phân tích dài từ vài giờ đến vài ngày để
biết kết quả, chỉ tập trung ở các thành phố lớn. Hơn nữa, những kỹ thuật này còn
đòi hỏi trang thiết bị, sinh phẩm và hóa chất đắt tiền, ngƣời thao tác phải đƣợc đào
tạo chuyên nghiệp và xét nghiệm phải đƣợc thực hiện tại các phòng thí nghiệm chẩn
đoán đạt tiêu chuẩn an toàn sinh học, không kiểm tra đƣợc ngoài thực địa, dẫn đến
những hạn chế trong ứng dụng. Một phƣơng pháp khác có thể bổ sung cho các
phƣơng pháp nói trên, để nhận biết vi rút, vi khuẩn là dựa vào sự phát hiện lai hóa
chuỗi ADN của vi rút, vi khuẩn đó là sử dụng các cảm biến sinh học. Đây là loại
cảm biến cho độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh, quy trình chế tạo đơn giản, dễ
dàng sử dụng, và đặc biệt nhờ kích thƣớc nhỏ gọn ngƣời ta có thể sử dụng những
loại cảm biến này tại những vùng xa xôi, hẻo lánh, phục vụ cho việc ngăn ngừa dịch
bệnh bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Cấu tạo của cảm biến sinh học gồm hai phần,

18
phần cảm nhận sinh học (Biological sensing element/ Bio-receptor) và bộ chuyển
đổi tín hiệu (Transducer) [75]. Các phân tử sinh học có thể là các enzyme, ADN,
kháng nguyên- kháng thể. Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ chuyển các phản ứng sinh
hóa thành các tính hiệu điện có thể đo đạc đƣợc. Hoạt động của cảm biến dựa trên
sự tƣơng tác của các thành phần sinh học đƣợc cố định trên bề mặt bộ chuyển đổi
với thành phần sinh học cần phân tích sẽ làm thay đổi các tín hiệu sinh hóa ở lân
cận bề mặt chuyển đổi. Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ đƣợc nhận biết bằng bộ
chuyển đổi tín hiệu điện và đƣợc hiển thị bằng các tín hiệu điện, quang, cơ ở đầu ra
của cảm biến. Hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu chế tạo, sử dụng cảm biến sinh
học để phát hiện vi khuẩn gây bệnh trong môi trƣờng đã có những thành công trên

một số đối tƣợng vi khuẩn thƣờng gặp ví dụ nhƣ: Cảm biến sinh học dựa trên cơ
chế của phản ứng miễn dịch để phát hiện vi khuẩn Samonella với độ nhạy cao, thời
gian đáp ứng nhanh với nồng độ phát hiện là 100 CFU.mL
-1
[114]. Một nghiên cứu
khác của cảm biến miễn dịch có thể phát hiện vi khuẩn Candida albicans với nồng
độ phát hiện là 50 CFU.mL
-1
chỉ trong vòng 60 phút [115]. Ngoài ra còn một số loại
cảm biến khác nhƣ cảm biến ADN nhằm phát hiện vi khuẩn Escherichia coli O157
dựa trên sự lai hoá giữa các chuỗi ADN với giới hạn phát hiện nồng độ chuỗi ADN
bổ sung là 1pg.L
-1
[127]. Ở Việt Nam hƣớng nghiên cứu cảm biến sinh học nói
chung và cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trƣờng sử dụng ống nano
cacbon là hƣớng mới rất quan trọng và cần thiết, mới đƣợc tiếp cận ở nƣớc ta trong
thời gian gần đây. Một vài công trình nghiên cứu của nhóm Biosensor tại Viện
ITIMS trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã triển khai các nghiên cứu nhƣ: Chế tạo
cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng nhạy ion (ISFET) phát hiện thuốc
trừ sâu trong nƣớc [105], cảm biến ADN trên cơ sở vi điện cực để phát hiện vi rút
H
5
N
1
[6], phát hiện biến đổi gen của đậu tƣơng [101], cảm biến miễn dịch để phát
hiện vi rút viêm não Nhật Bản [7]. 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 trƣờng (FET) sử
dụng ống nano carbon” đã đƣợc 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 trƣờng ống nano carbon (CNTFETs) nhƣ một cảm biến sinh học.
Đề tài đƣợc thực hiện với 02 mục tiêu chính: (1) nghiên cứu chế tạo transistor hiệu
ứng trƣờng trên cơ sở mạng lƣới ống nano carbon; (2) ứng dụng của transistor hiệu
ứng trƣờng trên cơ sở mạng lƣới ống nano carbon trong cảm biến sinh học để phát
hiện vi khuẩn E.Coli. Đối tƣợng nghiên cứu gồm: Công nghệ biến tính và phân tán
ống nano carbon, chế tạo transistor hiệu ứng trƣờng trên cơ sở ống nano carbon,

19
cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon. Nội dung
nghiên cứu đƣợc chia thành ba phần: (1) nghiên cứu công nghệ biến tính và phân
tán ống nano carbon định hƣớng ứng dụng trong cảm biến sinh học và trong chế tạo
CNTFETs; (2) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trƣờng trên cơ sở
ống nano carbon; (3) phát triển cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng
trƣờng ống nano carbon để phát hiện vi khuẩn E.Coli. Đề tài đƣợc thực hiện tại
Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà
Nội và Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ƣơng và một số cơ sở khác có liên quan. Thành
công của đề tài sẽ mở ra một hƣớng nghiên cứu mới nhằm phát triển cảm biến sinh
học dựa trên các vật liệu nano có chế độ hoạt động đơn giản, phát hiện nhanh, chính
xác, thân thiện với ngƣời sử dụng.
Kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm đƣợc trình bày trong 4 chƣơng
của luận án:
Chƣơng 1: Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano
carbon (CNTFETs)
Chƣơng 1 trình bày tổng quan những kiến thức cơ bản liên quan đến cảm biến
sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon nhƣ: cấu tạo, nguyên
lý hoạt động, công nghệ chế tạo của transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon, các
phƣơng pháp cố định ADN lên bề mặt ống nano carbon. Một số khái niệm cơ bản
cũng đƣợc đề cập nhƣ: vật liệu ống nano carbon, vi khuẩn E.Coli, các khái niệm về
ADN. Chƣơng này cũng trình bày cơ chế phát hiện lai hoá ADN của cảm biến sinh
học trên cơ sở CNTFETs. Trên cơ sở đó lựa chọn công nghệ chế tạo transistor hiệu

ứng trƣờng ống nano carbon thích hợp với yêu cầu đặt ra, phù hợp với điều kiện
công nghệ hiện có ở trong nƣớc.
Chƣơng 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
Chƣơng 2 trình bày công nghệ biến tính ống nano carbon và những kết quả
nghiên cứu phân tán ống nano carbon trong dung dịch Dimethylformamide (DMF).
Thông qua các phép phân tích phổ hấp thụ UV-Vis, hiển vi điện tử quét, phổ
Raman, phổ hồng ngoại FITR nhằm tìm ra các thông số phù hợp nhất cho mục đích
chế tạo transistor hiệu ứng trƣờng trên cơ sở mạng lƣới ống nano carbon từ đó có
thể mở ra các ứng dụng trong cảm biến sinh học.
Chƣơng 3: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở
ống nano carbon (CNTFETs)

20
Chƣơng 3 trình bày những kết quả nghiên cứu chế tạo transistor hiệu ứng
trƣờng sử dụng mạng lƣới 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.
Chƣơng này nghiên cứu thử nghiệm ba loại CNTFETs với kích thƣớc kênh dẫn
khác nhau. Cụ thể với ba chiều dài kênh khác nhau là 5 m, 10 m, 15 m cùng
chiều rộng 700 m. Trên cơ sở đó tác giả lựa chọn cảm biến phù hợp với điều kiện
nghiên cứu trong nƣớc và phù hợp với đối tƣợng nghiên cứu.
Chƣơng 4: Phát triển cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường
ống nano carbon để phát hiện lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli
Chƣơng 4 trình bày những kết quả nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học trên
cơ sở sở transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon sử dụng chuỗi ADN của vi
khuẩn E.Coli làm phần tử dò. Các yếu tố của quá trình cố định ảnh hƣởng đến tín
hiệu ra của cảm biến nhƣ: thời gian cố định, nồng độ ADN dò và giá trị pH của
dung dịch cố định, ảnh hƣởng nhiệt độ lai hoá đƣợc bàn luận ở đây. Ngoài ra, độ ổn
định và khả năng tái sử dụng cảm biến cũng đã đƣợc nghiên cứu.
Cuối cùng là phần kết luận chung của toàn bộ luận án.

21
CHƢƠNG I
CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG
ỐNG NANO CARBON (CNTFETs)
Trong những năm gần đây, cảm biến sinh học đã và đang thu đƣợc đƣợc sự
quan tâm chú ý của các nhà khoa học cũng nhƣ các hãng sản xuất thuộc lĩnh vực
điện tử y sinh. Trong lĩnh vực kiểm tra môi trƣờng, cảm biến sinh học đƣợc sử dụng
để xác định nồng độ thuốc trừ sâu trong nƣớc [153]; ứng dụng trong ngành y sinh
học nhƣ xác định nồng độ glucose trong máu [74], nồng độ urê trong nƣớc tiểu [90].
Trong ngành công nghệ thực phẩm, loại cảm biến này đƣợc sử dụng để phát hiện sự

biến đổi gen trong cây trồng [6]. Sở dĩ cảm biến sinh học đƣợc sử dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực là nhờ có nhiều tính năng nổi bật nhƣ: 1) đặc hiệu ở mức độ
phân tử; 2) có độ chọn lọc cao; 3) có cấu trúc đơn giản; 4) tiết kiệm thời gian; 5)
yếu tố cảm biến sinh học có thể tái sử dụng cho các chất phân tích khác nhau.
I.1 GIỚI THIỆU VI KHUẨN E.COLI
Vi khuẩn E.coli thuộc họ Enterobacteriaceae là túc chủ bình thƣờng ở trong
ruột, chiếm 80% các vi khuẩn hiếm khí đƣờng ruột của ngƣời lớn, còn tìm thấy ở
nhiều niêm mạc khác nữa. Từ ruột, E.coli theo phân ra đất, nƣớc. E.coli là một hình
que thẳng, hai đầu tròn, kích thƣớc dài ngắn khác nhau từ 2 m đến 3 m, đƣờng
kính cắt ngang rộng 0.5 m. E. coli phần lớn rất di động, không sinh nha bào, có thể
có vỏ (hình 1.1). E. coli có một số týp kháng nguyên là nguyên nhân gây ra viêm dạ
dày ruột và gây nhiễm trùng độc cấp tính ở đƣờng tiêu hóa, dẫn đến bệnh tiêu chảy
cấp và lan truyền chủ yếu qua nƣớc uống và thức ăn. Bệnh tả có thể lan truyền
thành dịch lớn. Trong vòng 200 năm qua đã có 7 lần dịch tả bùng phát và lây lan
thành đại dịch ở một số nƣớc và châu lục, trong thời gian vài tháng đã làm tử vong
hàng chục ngàn ngƣời ở các thành phố lớn nhƣ Pari (1832), London (1854). Tại
Việt Nam, dịch tả trong các năm 1937-1938 đã làm chết gần 15 nghìn ngƣời. Trong
năm 2008 dịch tả đã bùng phát tại một số tỉnh phía Bắc, nhƣng nhờ các biện pháp
phòng chống đƣợc Bộ Y tế triển khai kịp thời nên dịch nhanh chóng bị dập tắt mà
không gây tổn thất về ngƣời. Hiện nay chƣa có vắc xin phòng bệnh.

22

Hình 1.1 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử vi khuẩn E.coli
[ E.coli, Viện dịch tễ trung ương ].
Một số phƣơng pháp chẩn đoán trong phòng xét nghiệm thƣờng đƣợc sử dụng
để xác định vi khuẩn nhƣ: phân lập, phát hiện thông qua phản ứng chuỗi polyme
(PCR), kỹ thuật ELISA. Tuy nhiên, các phƣơng pháp này từ vài giờ đến hàng tuần
để biết đƣợc kết quả. Hơn nữa, hầu hết các xét nghiệm phải thực hiện trong các
phòng thí nghiệm an toàn sinh học bậc cao, cần đến sinh phẩm và hóa chất đắt tiền,

giá thành thiết bị cao. Do vậy, việc nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học có
những tính năng ƣu việt, có khả năng cho kết quả nhanh và chính xác vi khuẩn
E.Coli cũng rất cần thiết.
I.2 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC
Theo Hiệp hội quốc tế về hoá học ứng dụng - IUPAC năm 1999 đã định nghĩa:
cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng cung cấp
những thông tin phân tích định lƣợng hoặc bán định lƣợng, gồm 02 thành phần
chính: Phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu
(transducer) [134, 125]. Phần tử nhận biết thực chất là các lƣợng chất sinh học hoặc
các thực thể sinh học, hoạt động nhƣ một yếu tố nhận biết, đƣợc liên kết với bộ
chuyển đổi một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Phần tử sinh học đƣợc sử dụng chủ
yếu là enzyme, ADN, ARN, kháng thể [6]. Phần tử chuyển đổi có khả năng chuyển
tín hiệu không điện từ các tƣơng tác sinh hoá thành tín hiệu điện. Tuỳ thuộc vào
phƣơng pháp chuyển đổi tín hiệu mà ngƣời ta có thể chuyển thành các tín hiệu nhƣ
quang [34, 63, 79], cơ [33, 58], điện [31, 64, 130]. Hoạt động của cảm biến sinh học
(hình 1.2) dựa trên sự tƣơng tác của các thành phần sinh học đƣợc cố định trên bề
mặt bộ chuyển đổi (cảm biến) với thành phần sinh học cần phân tích sẽ làm thay đổi
các tín hiệu sinh hoá ở lân cận bề mặt chuyển đổi. Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ

23
đƣợc nhận biết bằng bộ chuyển đổi tín hiệu và đƣợc hiển thị bằng tín hiệu điện,
quang, cơ hoặc nhiệt ở đầu ra của cảm biến [20]. Mỗi phần tử nhận biết sinh học
khác nhau chỉ cho phép nhận biết đƣợc một loại đối tƣợng phân tích theo nguyên
tắc khóa - chìa. Nếu không có đối tƣợng phân tích phù hợp với thành phần cảm
nhận sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến hoặc chỉ
đơn thuần là đóng góp các ồn trong quá trình đo. Chính vì vậy mà cảm biến sinh
học có độ chọn lọc rất cao [35].

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học.
Việc phân loại cảm biến sinh học dựa trên một vài nguyên tắc nhất định. Dựa

trên thành phần cảm nhận sinh học có thể chia thành ba loại cơ bản: cảm biến
Enzyme, cảm biến ADN và cảm biến miễn dịch. Nếu dựa trên bộ phận chuyển đổi
thì có thể chia cảm biến sinh học thành những loại nhƣ sau: cảm biến điện hoá dựa
trên cơ sở các phép đo dòng, thế, hoặc độ dẫn của dung dịch, cảm biến quang trên
cơ sở phép đo huỳnh quang [34], cảm biến cơ dựa trên sự thay đổi khối lƣợng ở bề
mặt cảm biến sẽ làm thay đổi tần số trong vi cân tinh thể thạch anh [119], cảm biến
trên cơ sở transistor hiệu ứng trƣờng thƣờng sử dụng điện trƣờng để điều khiển độ
dẫn của kênh dẫn giữa hai điện cực nguồn, máng. Điều này có thể đạt đƣợc bởi sự
thay đổi điện áp trên ở điện cực cổng [102]. Cùng với sự phát triển của các loại cảm
biến sinh học nói chung, cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trƣờng
ống nano carbon (CNTFETs) đang ngày càng đƣợc đầu tƣ nghiên cứu. Trong những
nghiên cứu về transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon ứng dụng làm cảm biến
sinh học phải kể đến công bố của các nhóm nghiên cứu: G.J.Lee đã nghiên cứu cảm
biến sinh học trên cơ sở enzyme – CNTFETs để phát hiện Glutamate với độ nhạy
cao, thời gian đáp ứng nhanh [38]. Để chế tạo loại cảm biến này, nhóm của Lee đã
cố định enzyme L-glutamate oxidase (GLOD) lên trên bề mặt ống nano carbon sử

24
phƣơng pháp liên kết không cộng hoá trị, tính chất điện của CNTFETs sau đó đƣợc
đặc trƣng bởi dòng điện chạy ở cực nguồn và cực máng của cảm biến. Nhóm của
Star đã sử dụng CNTFETs để phát hiện đột biến gen dựa trên sự đánh dấu quang
đoạn ADN, với giới hạn phát hiện nồng độ chuỗi đột biến gen ở mức pM đến M
[10]. Nghiên cứu cơ chế phát hiện lai hoá đoạn ADN sử dụng CNTFETs đã đƣợc
nghiên cứu bởi nhóm Tang [149]. Trong báo cáo này, các tác giả đã đề xuất ra cơ
chế phát hiện sự lai hoá của cảm biến dựa vào sự ức chế lai hoá khi đoạn ADN hấp
phụ trực tiếp trên vách ống nano carbon. Gần đây, Maria và cộng sự đã nghiên cứu
transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon đa tƣờng để phát hiện lai hoá đoạn
ADN. Đây là loại cảm biến đƣợc chế tạo dựa trên sự hấp phụ đoạn ADN dò lên ống
nano carbon đã đƣợc pha tạp với polymer dẫn. Tín hiệu lai hoá quan sát đƣợc dựa
trên sự thay đổi tính chất điện của CNTFETs [92]. Oh [68] đã nghiên cứu chế tạo

cảm biến miễn dịch trên cơ sở transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon để phát
hiện vi rút hepatitis B, với sự có mặt của kháng nguyên hepatitis B đƣợc xác định
bằng phép đo độ dẫn điện phụ thuộc vào thời gian nhận biết và đạt giá trị bão hoà ở
khoảng thời gian 10 phút. Nhƣ vậy có thể nói rằng, các nhóm nghiên cứu mà tác giả
đề cập ở trên là các nhóm nghiên cứu mạnh, điển hình về cảm biến sinh học trên cơ
sở CNTFETs đã có nhiều công trình có giá trị. Các công trình của các nhóm này
chủ yếu đăng tải trên các tạp chí uy tín nhƣ: Nano Letters, Physical Review Letters,
Applied Physics Letters, Sensors and Actuators B, có chỉ số “impact factor” và chỉ
số trích dẫn rất cao.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu
trƣờng ống nano carbon phát hiện lai hóa ADN còn rất mới mẻ. Hiện nay chủ yếu
nghiên cứu về ứng dụng ống nano carbon với các nhóm nghiên cứu nhƣ: nhóm
nghiên cứu của GS. Phan Hồng Khôi [24, 53, 139], PGS. Phan Ngọc Minh [139,
140] - Viện khoa học Vật liệu và gần đây có nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn
Văn Hiếu [54-57], PGS.TS. Nguyễn Hữu Lâm [89] - Trƣờng Đại học Bách Khoa
Hà nội. Các nhóm này chủ yếu nghiên cứu phƣơng pháp chế tạo ống nano carbon,
nghiên cứu tính chất quang, điện, hình thái bề mặt của ống nano carbon và ứng
dụng trong cảm biến khí, các linh kiện điện tử công suất. Gần đây có nhiều nhóm
nghiên cứu về vật liệu và công nghệ nano (vật liệu và cảm biến) ứng dụng trong
sinh học có nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Hữu Đức [29] – Đại học công nghệ,
nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Xuân Phúc [85,86,107], PGS. Trần Đại Lâm [30,
86-88] – Viện khoa học Vật liệu. Nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Hoàng Hải
[138] nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng trong sinh học. Ngoài ra, có các nghiên

25
cứu về cảm biến sinh học dựa trên các vật liệu bán dẫn (PGS. Đặng Mậu Chiến [16,
136], TS. Tống Duy Hiển [136, 137]), nghiên cứu về cảm biến sinh học dựa trên
hiệu ứng từ (GS. Nguyễn Hữu Đức [29]). Về nghiên cứu phát triển bộ cảm biến
sinh học trên cơ sở CNTFETs để phát hiện lai hoá ADN của vi khuẩn E.Coli, vẫn
chƣa có nghiên cứu nào đƣợc công bố tính tới thời điểm tập thể hƣớng dẫn đề xuất

đề cƣơng nghiên cứu năm 2008.
I.3 GIỚI THIỆU ỐNG NANO CARBON
Ống nano carbon có cấu trúc nano là một trong số các vật liệu mới hết sức hấp
dẫn đƣợc phát hiện, nghiên cứu và chế tạo trong thập niên cuối cùng của thế kỷ XX.
Đây là vật liệu rất đa dạng về cấu trúc và hình dạng, khác nhau về tính chất: cơ, lý,
hoá. Nhƣng chúng đều có một điểm giống nhau là đều đƣợc cấu tạo chỉ từ một
nguyên tố duy nhất, đó là nguyên tố C. Ống nano carbon là vật liệu đầy hứa hẹn cho
ứng dụng công nghệ cao và hứa hẹn một số ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực khác
nhau nhƣ trong các thiết bị điện tử có kích thƣớc nano [113], transistor và bộ nhớ
[43, 111, 120], trong các thiết bị cơ điện tử [65], chế tạo các đầu đo AFM/STM
[45]. Tóm lại, ống nano carbon đã có đƣợc một số ứng dụng thành công trong nhiều
lĩnh vực khác nhau. Trong số những ứng dụng này, transistor hiệu ứng trƣờng trên
cơ sở ống nano carbon đã và đang đƣợc quan tâm nhiều nhất bởi các nhà khoa học,
các công ty thƣơng mại, do chúng có những tính năng vƣợt trội so với loại transistor
hiệu ứng trƣờng trên cơ sở MOS nhƣ có độ dẫn truyền tốt và tỷ số I
ON
/I
OFF
lớn.
I.3.1 Cấu tạo của 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 nhƣ một chiều đƣợc phát
hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi Iijima [59].
Ống nano carbon (CNTs) có cấu tạo hình trụ có kích thƣớc đƣờng kính vài
nanomet, chiều dài có thể tới vài chục micromet. Vách của ống nano carbon bao
gồm những hình lục giác của các nguyên tử carbon tạo nên mạng graphit. Có thể
tƣởng tƣợng ống nano carbon là một lá graphit cắt thành dải sau đó đƣợc gắn kín
tạo thành ống bằng bán cầu fullerence có cùng đƣờng kính (hình 1.3).