Báo cáo toàn văn đề tài sở KHCN cảm biến sensor vi cân tinh thể thạch anh biosensor

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TT NC& ĐT THIẾT KẾ VI MẠCH

BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM LINH KIỆN VI CÂN
TINH THỂ THẠCH ANH (QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE-QCM)
ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

Cơ quan chủ trì: Trung Tâm Nghiên Cứu và Đào Tạo Thiết Kế Vi Mạch
Cơ quan Quản lý: Sở Khoa Học Công Nghệ TP. HCM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 11/ 2010


TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Vi cân thạch anh (Quartz Crystal Microbalance - QCM) là một trong những linh
kiện điện tử ngày càng được sử dụng hữu ích trong khoa học, y sinh học và trong đời
sống. Các nghiên cứu về thiết kế chế tạo QCM đã và đang được quan tâm nghiên cứu
nhằm đưa nhứng ứng dụng của nó vào trong thực tiễn cuộc sống.
Do tính chất áp điện độc đáo của tinh thể thạch anh AT-cut, khi đặt điện áp xoay
chiều vào hai bên điện cực của linh kiện. Nó trở thành một tụ điện và sẽ làm sinh ra
dao động trượt dọc theo bề mặt tinh thể. Dao động này cộng hưởng khi tần số dao động

bằng với tần số dao động riêng của thạch anh. Mọi ứng dụng của linh kiện QCM đều
xoay quanh tần số dao động cộng hưởng của linh kiện. Ứng dụng đầu tiên của linh kiện
QCM là khả năng xác định khối lượng với độ nhạy và độ chính xác rất cao, có thể xác
định được sự thay đổi khối lượng đến 10 -15 gam trong môi trường rắn[1]. Những năm
gần đây, phạm vi ứng dụng của QCM ngày càng được mở rộng sang môi trường lỏng
và môi trường khí trong các phép đo nhạy khí, phân tích và phát hiện gen và vi khuẩn
[1].
Trong đề tài này, chúng tôi đã thực hiện hoàn thiện quy chế tạo linh kiện QCM và
ứng dụng kiểm tra thành công vi khuẩn E.Coli O157:H7. Đề tài được thực hiện dựa
trên bốn quy trình chính: mô phỏng, thiết kế, chế tạo và triển khai ứng dụng.
Quá trình mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM được thực hiện dựa trên phần
mềm ANSYS. Kết quả mô phỏng tính chất cơ của của linh kiện QCM đã đưa ra được
các thông số, cấu trúc, hình dạng phục vụ cho giai đoạn thiết kế MASK phù hợp với
I


linh kiện QCM có tần số cộng hưởng 5MHz. Nhờ đó, nhóm thực hiện đã lựa chọn
QCM có dạng hình tròn cho quá trình thiết kế MASK. Phần mô phỏng tính chất điện
của linh kiện QCM được thực hiện trên phần mềm MATLAB. Các kết quả mô phỏng
tính chất điện được sử dụng để so sánh với kết quả đo của QCM do nhóm chế tạo như
phổ dẫn nạp, góc pha… của linh kiện. Từ việc so sánh này đã đưa ra các kết luận về
quá trình chế tạo của nhóm thực hiện đề tài.
Công đoạn quan trọng nhất là quá trình chế tạo QCM tại phòng sạch khu công
nghệ cao TP HCM. QCM có cấu trúc plana - plana (hai mặt QCM có dạng mặt phẳng)
được chế tạo với quy trình rút gọn gồm 14 bước công nghệ chính. Quy trình chế tạo
theo công nghệ MEMS sử dụng các thiết bị trong phòng sạch như hệ bốc bay màng
mỏng, máy quang khắc…Chúng tôi đã thiết kế nhiều bộ mask với kích thước điện cực
QCM khác nhau phù hợp cho các mục đích ứng dụng. Kết quả chúng tôi đã chế tạo
thành công các QCM với 3 cấu trúc cho 3 lĩnh vực ứng dụng: QCM sử dụng trong cảm
biến sinh học để test E.Coli và các vi khuẩn khác; QCM làm cảm biến khí; QCM đo bề

dày màng mỏng trong máy e- beam. Các kết quả đo và khảo sát linh kiện QCM do
chúng tôi chế tạo được thực hiện trên hệ đo máy Network Analyzer (ĐH Quốc tếĐHQG TPHCM). Kết quả đo cho thấy QCM có tần số cộng hưởng cơ bản f0 phù hợp
với thiết kế ban đầu.
Cuối cùng là công đoạn triển khai ứng dụng linh kiện QCM do nhóm chế tạo để
kiểm tra khuẩn E.coli O157:H7. Đây là một tác nhân gây bệnh hàng đầu trong nguồn
nước và thực phẩm, là mối quan tâm trên toàn thế giới. Hiện nay việc phát hiện và
khẳng định sự hiện diện của vi khuẩn E.Coli O157:H7 sử dụng phương pháp phát hiện
vi khuẩn truyền thống như ELISA và PCR yêu cầu các quy trình thực nghiệm khá nặng
II


nề và tốn thời gian. Trong khi đó, sử dụng linh kiện QCM có các ưu điểm vượt trội như
tính đặc hiệu, độ nhạy cao và tiến hành các phân tích trong thời gian thực. Chúng tôi đã
tiến hành kiểm tra song song E.Coli trên hai hệ QCM bộ QCM-KIT do ICDREC thiết
kế và QCM 200 tại phòng thí nghiệm Vật liệu điện tử, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học
Bách Khoa Hà Nội. Chúng tôi đã test thành công vi khuẩn E.Coli với 3 nồng độ khác
nhau: 106 cfu/ml, 104 cfu/ml, và 102 cfu/ml trên bộ KIT do trung tâm ICDREC thiết kế
và chế tạo . Kết quả là tần số cộng hưởng cơ bản của linh kiện đã giảm một khoảng là
33 Hz ứng với nồng độ của dung dịch E.Coli là 106 cfu/ml, giảm 17 Hz ứng với nồng
độ 10 4 cfu/ml và 7 Hz ứng với nồng độ 10 2 cfu/ml.

III


SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

Quartz Crystal Microbalance – QCM device has been extended for application in
science, health and national security services. Researchs about designing and
fabrication QCM have been considered to use in civilization.
Due to the piezoelectric properties and crystalline orientation of the quartz, a

voltage applied to these electrodes results in a shear deformation of the crystal. The
vibration set-up in the quartz crystal produces harmonic signal when the vibration
frequency is equal to the alternative voltage frequency. All applications of QCM
device corcern at its resonance frequency.
The first application of QCM is the ability in detection a very small mass with
high sensitivity and exact, it can detect the mass change to 10-15 gram in rigid
environment [1]. In recent years, QCMs have been used in direct contact with liquids
and viscoelastic films to determine the mass changes and viscoelastic properties during
chemical and electrochemical surface processes [1].
In this project, we have completed process on fabrication QCMs device and
application in testing bacteria E.Coli O157:H7. This project includes four main parts:
simulation, designing, fabrication and application.
We simulated the mechanical properties of QCM by ANSYS software. The
simulation result of QCM’s mechanical properties help us to choose the structure, the
shape and the parameter value in designing mask for QCM with resonance frequency
5MHz. From this result, we decided to fabricate QCM in circular shape. The electric
IV


properties are simulated by MATLAB software. The electric properties simulation
result is useful in comparison to the measurement result of QCM that we fabricated
like the spectrum of admittance, phase of admittance...This comparision gives us the
conclusion about the process in fabrication.
The most important in this project is fabrication QCM in clearn room at Saigon
Hightech Park. QCM device has planar-planar structure and was fabricated with short
process in fourteen main steps. We fabricated QCM device by MEMS technology and
use some equipments like E-BEAM machine, PHOTOLITHOGRAPHY … We
designed three kinds of masks for different QCM electrodes in order to use in different
applications. We fabricated sucessfuly three kinds of QCM for three application fields:
biosensor (test bacteria), gas sensor, thickness measures sensor (use in E-BEAM

machine). QCM device are measured and analysed in QCM200 system, Network
Analyzer machine. The result shows that QCMs have the resonance frequency f0 equal
to the designing.
The final process is testing E.coli O157:H7 by QCM device that we fabricated.
This bacterias is the dangerous diseases agent in water and food. Nowaday, the process
to detect E.Coli O157:H7 using traditional method like ELISA or PCR, these methods
cost money and time. Besides, using QCM device will give the higher sensitivity,
specificity and save time. We tested simultaneous bacteria E.Coli on two systems: the
KIT made by ICDREC and the QCM 200 system at HaNoi University of Technology.
We tested successfully E.Coli at 3 concentrations: 106 cfu/ml, 10 4 cfu/ml and 102
cfu/ml with KIT mabe by ICDREC. The frequency shift is 33Hz correlation with

V


concentration of 10 6 cfu/ml, 17 Hz correlation with concentration of 104 cfu/ml and 7
Hz correlation with concentration of 102 cfu/ml.

VI


MỤC LỤC
Trang
TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. I 
SUMMARY OF RESEARCH CONTENT ........................................................................... IV 
MỤC LỤC .......................................................................................................................... VII 
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................X 
DANH SÁCH BẢNG........................................................................................................... XI 
DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................................... XII 
 

 
 

PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. 

Tên đề tài/Dự án ............................................................................................................ 1
Tổ chức chủ trì thực hiện đề tài/dự án ............................................................................ 1 
Chủ nhiệm đề tài/dự án .................................................................................................. 1 
Thời gian thực hiện ........................................................................................................ 1 
Tổng kinh phí thực hiện ................................................................................................. 1 

2. 

Mục tiêu của đề tài......................................................................................................... 1 

3. 

Nội dung thực hiện ........................................................................................................ 1 

4. 

Sản phẩm của đề tài ....................................................................................................... 2 

TỔNG QUAN ........................................................................................................................ 4
1.1  TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LÃNH VỰC ĐỀ TÀI ................. 4
1.1.1  Ngoài nước ........................................................................................................... 4 
1.1.2  Trong nước ......................................................................................................... 10 
1.2  TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................ 12 
1.3  Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI VỀ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............. 12 

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 14
2.1 MÔ PHỎNG TÍNH CHẤT CƠ VÀ ĐIỆN CỦA LINH KIỆN QCM ............................ 14
2.1.1  Bài toán mô phỏng tính chất điện và các thông số đầu vào .................................. 14
2.1.2  Bài toán và các thông số mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM .................... 17
2.1.2.1  Nguyên lý và mô hình linh kiện QCM ........................................................ 17 
VII


2.1.2.2  Mô phỏng cấu trúc cơ ................................................................................. 19 
2.1.2.3

Số liệu dùng để mô phỏng ................................................................................. 20

2.2  THIẾT KẾ MASK VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QCM ................................................. 21
2.2.1  Thiết kế mask và chế tạo bộ mask mới cho linh kiện QCM ................................. 21 
2.2.2  Quy trình chế tạo linh kiện QCM ........................................................................ 23
2.2.2.1  Hóa chất và vật liệu .................................................................................... 23 
2.2.2.2  Thiết bị....................................................................................................... 24 
2.2.2.3  Quy trình chế tạo linh kiện QCM ................................................................ 25 
2.2.2.4  Đánh giá chất lượng linh kiện QCM ........................................................... 44 
2.3  CHẾ TẠO BỘ GÁ VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA QCM VỚI
VIỆC ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC ........................................................... 46
2.3.1  Thiết kế và chế tạo bộ gá ..................................................................................... 46 
2.3.2  Khảo sát khả năng hoạt động của linh kiện QCM cho việc kiểm tra vi khuẩn E.Coli
O157:H7 ....................................................................................................................... 46
2.3.2.1  Quy trình chế tạo dung dịch nano Au.......................................................... 46 
2.3.2.2  Gắn kết kháng thể lên hạt nano vàng .......................................................... 49 
2.3.2.3  Quy trình khảo sát hoạt động linh kiện QCM cho việc kiểm tra vi khuẩn
E.Coli 157:H7 ........................................................................................................... 49 
KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ................................................................................................ 52

3.1  MÔ PHỎNG TÍNH CHẤT CƠ VÀ ĐIỆN CỦA LINH KIỆN QCM ............................ 52
3.1.1  Kết quả và thảo luận mô phỏng tính chất điện của linh kiện QCM ....................... 52
3.1.1.1  Kết quả và thảo luận mô phỏng khi không tải ............................................. 52 
3.1.1.2  Kết quả và thảo luận mô phỏng khi có tải ................................................... 54 
3.1.1.3  Kết luận...................................................................................................... 59 
3.1.2  Kết quả và thảo luận mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM ......................... 59 
3.2  THIẾT KẾ MASK VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QCM ................................................. 72
3.2.1  Kết quả thiết kế và chế tạo bộ mask .................................................................... 72 
3.2.2  Kết quả và thảo luận linh kiện QCM chế tạo ra ................................................... 74 
3.3  CHẾ TẠO BỘ GÁ VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA QCM VỚI
VIỆC ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC ........................................................... 82 
3.3.1  Kết quả và thảo luận chế tạo bộ gá ...................................................................... 82 
3.3.2  Kết quả khảo sát hoạt động của QCM với việc ứng dụng làm cảm biến sinh học . 88
3.3.2.1  Kết quả chế tạo hạt nano vàng .................................................................... 88 
3.3.2.2  Kết quả chế tạo hạt nano vàng gắn kết kháng thể ........................................ 93 
VIII


3.3.2.3  Kết quả khảo sát hoạt động của QCM với việc ứng dụng làm cảm biến sinh
học

................................................................................................................. 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

101 

PHỤ LỤC ...........................................................................................................................103 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ - 14 - 
 

 
 

IX


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
GNPs

THUẬT NGỮ TIẾNG VIẾT
Gold nanoparticles (dung dịch nano
Au)

QCM

Quartz Crystal Microbalance (vi cân
tinh thể thạch anh)

AFM

Atomic Force Microscope

TEM

Transmission Electron Microscopy

UV-Vis

Ultraviolet-Visible Spectroscopy

XRD

X-Ray Diffraction

PCR

Polymer Chain Reaction

BVD

Butterworth-Van Dyke

X


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Thông số đầu vào của thạch anh. .......................................................................... 16
Bảng 2.2. Các thông số khối lượng và bề dày màng lắng đọng. ............................................. 17
Bảng 2.3. Các thông số thiết kế của bộ mask linh kiện QCM. ............................................... 22
Bảng 3.1. Hệ số hiệu chỉnh phương trình Sauerbrey. ............................................................ 57
Bảng 3.2. Tần số cộng hưởng song song (fp) và nối tiếp (fs) và tỉ số giữa C1/C0. ................... 58
Bảng 3.3. Hệ số phẩm chất của linh kiện QCM. .................................................................... 58
Bảng 3.4. Kích thước của thạch anh AT–cut. ........................................................................ 60
Bảng 3.5. Kích thước của vi cân tinh thể thạch anh. .............................................................. 60
Bảng 3.6. Các giá trị của Au cho mô phỏng. ......................................................................... 61
Bảng 3.7. Giá trị điện áp mô phỏng. ..................................................................................... 61
Bảng 3.8. Giá trị biến dạng, ứng suất và tần số cộng hưởng của QCM dạng hình vuông. ...... 63
Bảng 3.9. Kết quả mô phỏng mode biến dạng dao động cấu trúc tròn. .................................. 65
Bảng 3.10. Kết quả mô phỏng khi có điện cực Au. ............................................................... 67

Bảng 3.11. Kết quả mô phỏng khi có tải. .............................................................................. 71
Bảng 3.12. Tần số cộng hưởng song song, tần số cộng hưởng nối tiếp và hệ số phẩm chất của
QCM hình vuông.................................................................................................................. 75
Bảng 3.13. Tần số cộng hưởng song song, tần số cộng hưởng nối tiếp và hệ số phẩm chất của
QCM hình tròn. .................................................................................................................... 77
Bảng 3.14. Thành phần và điều kiện chế tạo các dung dịch nano Au. .................................... 88
Bảng 3.15. Bước sóng hấp thu của các dung dịch nano Au. .................................................. 90
Bảng 4.1. Các thông số khảo sát bề dày màng cảm quang. ...................................................107
Bảng 4.2. Thông số khảo sát thời gian chiếu UV-Vis. ..........................................................108

XI


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM. ............................................ 5 
Hình 1.2. Mode sóng cơ bản của QCM. ................................................................................. 6 
Hình 1.3. Vi cân tinh thể thạch anh QCM và hệ đo QCM200. ................................................ 9 
Hình 1.4. Cấu tạo sensor sinh học (a) và sensor sinh học sử dụng QCM làm bộ phận chuyển
đổi tín hiệu (b). ..................................................................................................................... 10 
Hình 2.1. Mô hình truyền sóng trong tinh thể và màng theo lý thuyết Kanazawa[10,12]. ..... 15 
Hình 2.2. Mô hình mạch tương đương BVD khi không tải (a) và có tải (b) [4,5]. ................. 16 
Hình 2.3. Phần tử solid 98.................................................................................................... 20 
Hình 2.4. Phần tử Shell 93. .................................................................................................. 20 
Hình 2.5. Thiết kế của bộ mask mới linh kiện QCM............................................................. 22 
Hình 2.6. Quy trình thứ nhất chế tạo linh kiện QCM. ........................................................... 26 
Hình 2.7. Quá trình rửa wafer thực hiện tại phòng wet bench. .............................................. 27 
Hình 2.8. Hệ máy AUTO 500 Vacuum Evaporator. ............................................................. 28 
Hình 2.9. Quay phủ lớp bám dính và cảm quang bằng máy spinner. ..................................... 29 
Hình 2.10. Hệ máy so mask 2 mặt SUSS MA6 Mask Aligner. ............................................. 30 
Hình 2.11. Hình ảnh cấu trúc của mặt 1 sau khi hiện hình. ................................................... 30 

Hình 2.12. Quá trình so mask. .............................................................................................. 31 
Hình 2.13. Hình ảnh cấu trúc mặt 2 sau khi tẩy bỏ lớp cảm quang. ....................................... 32 
Hình 2.14. Hình ảnh cấu trúc của hai mặt wafer sau khi tẩy Cr............................................. 32 
Hình 2.15. Màng Au trên mặt wafer sau khi bốc bay. ........................................................... 33 
Hình 2.16. Mặt phiến trước và sau khi lift-off. ..................................................................... 34 
Hình 2.17. Các điện cực trên một mặt sau khi tẩy Cr. ........................................................... 34 
Hình 2.18. Wafer sau khi dán vào tape UV. ......................................................................... 35 
Hình 2.19. Quy trình thứ hai chế tạo linh kiện QCM. ........................................................... 36 
Hình 2.20. Wafer trước và sau khi bốc bay màng kim loại Ti và Au. .................................... 38 
Hình 2.21. Quay phủ lớp bám dính và cảm quang bằng máy spinner. ................................... 39 
Hình 2.22. Hệ máy so mask 2 mặt SUSS MA6 Mask Aligner. ............................................. 40 
Hình 2.23. Hình ảnh cấu trúc của mặt 1 sau khi hiện hình. ................................................... 40 
Hình 2.24. Quá trình so mask. .............................................................................................. 41 
Hình 2.25. Hình ảnh cấu trúc của hai mặt wafer sau khi tẩy Au. ........................................... 42 
Hình 2.26. Hình ảnh cấu trúc của hai mặt wafer sau khi tẩy Ti. ............................................ 42 
Hình 2.27. Wafer sau khi dán vào tape UV. ......................................................................... 43 
Hình 2.28. Phiến sau khi cắt đưa vào máy chiếu UV. ........................................................... 43 
XII


Hình 2.29. Các linh kiện QCM hoàn thiện ........................................................................... 44 
Hình 2.30. Máy đo 43961 A Network Analyzer. .................................................................. 44 
Hình 2.31. Máy AFM 5500 (Hãng Agilent Technologies, Mỹ). ........................................... 45 
Hình 2.32. Máy NT1100 (Hãng VEECO, Mỹ). .................................................................... 45 
Hình 2.33. Quy trình thực nghiệm. ....................................................................................... 47 
Hình 2.34. Các dung dịch GNPs có kích thước 30 nm, 60 nm và 90 nm (từ trái sang phải)... 48 
Hình 2.35. Máy đo phổ UV-Vis. .......................................................................................... 48 
Hình 2.36. Trình bày Kit QCM cho việc kiểm tra vi khuẩn E.Coli O157:H7. ....................... 50 
Hình 2.37. Trình bày mô hình minh họa quy trình kiểm tra vi khuẩn bằng phương pháp gắn
kết Protein A. ....................................................................................................................... 50 

Hình 2.38. Bộ KIT được nối với máy tính. ........................................................................... 51 
Hình 3.1. Đồ thị phổ dẫn nạp phức của linh kiện QCM 5MHz khi không tải. ....................... 52 
Hình 3.2. Đặc trưng góc pha (a) và độ dẫn nạp (b) phụ thuộc tần số của linh kiện QCM 5
MHz. .................................................................................................................................... 53 
Hình 3.3. Đồ thị phổ dẫn nạp phức của linh kiện QCM 5 MHz. ........................................... 54 
Hình 3.4. Phổ dẫn nạp của QCM 5 MHz ứng với năm tải khối lượng (a) và góc pha tương ứng
(b). ....................................................................................................................................... 55 
Hình 3.5. Hệ số hiệu chỉnh mô hình Sauerbrey..................................................................... 57 
Hình 3.6. Cấu trúc mô phỏng tinh thể thạch anh AT–cut. ..................................................... 60 
Hình 3.7. Chia lưới sử dụng phần tử hữu hạn solid 98. ......................................................... 62 
Hình 3.8. Tần số cộng hưởng, độ dịch cực đại của QCM khi sử dụng phiến hình vuông theo
khảo sát dao dộng điều hòa (harmonic). ................................................................................ 62 
Hình 3.9. Tần số cộng hưởng và độ biến dạng, giá trị ứng suất cực đại, cực tiểu của phân tích
dao động (Modal). ................................................................................................................ 63 
Hình 3.10. Tần số cộng hưởng, độ dịch cực đại và giá trị ứng suất phân tích dao động điều
hòa (Harmonic). ................................................................................................................... 64 
Hình 3.11. Tần số cộng hưởng và độ biến dạng, giá trị ứng suất cực đại, cực tiểu của phân tích
dao động (Modal). ................................................................................................................ 64 
Hình 3.12. Mô hình cấu trúc và mode biến dạng trượt bề mặt của QCM không tải. .............. 66 
Hình 3.13. Chia lưới điện cực Au sử dụng phần tử hữu hạn shell 93. ................................... 66 
Hình 3.14. Mode biến dạng trượt bề mặt khi có điện cực Au. ............................................... 67 
Hình 3.15. Mode biến dạng xuất hiện trên điện cực lớn. ....................................................... 67 
Hình 3.16. Mode biến dạng xuất hiện trên điện cực nhỏ. ...................................................... 67 
Hình 3.17. Vec tơ biến dạng của các phần tử........................................................................ 68 
Hình 3.18. Đặt tải lên bề mặt điện cực trên. ......................................................................... 68 
Hình 3.19. Đặt tải khối lượng lên bề mặt. ............................................................................. 69 
XIII


Hình 3.20. Tải điện áp và tải khối lượng trên điện cực lớn. .................................................. 69 

Hình 3.21. Mode biến dạng trên các điện cực khi có tải. ...................................................... 70 
Hình 3.22. Đồ thị độ dịch mode biến dạng khảo sát với 4 trường hợp................................... 71 
Hình 3.26. Phổ tổng trở của hai linh kiện QCM hình vuông. ................................................ 76 
Hình 3.27. Phổ góc pha của hai linh kiện QCM.................................................................... 76 
Hình 3.28. Phổ tổng trở của hai linh kiện QCM hình tròn. ................................................... 78 
Hình 3.29. Phổ góc pha của hai linh kiện QCM.................................................................... 79 
Hình 3.30. Kết quả đo bề dày điện cực kim loại Au/Ti. ........................................................ 80 
Hình 3.31. Kết quả đo bề dày điện cực kim loại Au/Ti ......................................................... 80 
Hình 3.32. Ảnh AFM bề mặt của điện cực linh kiện QCM. .................................................. 81 
Hình 3.33. Độ gồ ghề của bề mặt điện cực linh kiện QCM. .................................................. 81 
Hình 3.34. trình bày bảng thiết kế phần gá giữ linh kiện QCM. ............................................ 83 
Hình 3.35. Trình bày bảng thiết kế vòng đệm QCM nằm phía dưới nắp. .............................. 83 
Hình 3.36. Trình bày bảng thiết kế nắp cố định QCM dạng hở. ............................................ 84 
Hình 3.37. trình bày bảng thiết kế nắp đậy cho vi dòng. ....................................................... 84 
Hình 3.38. Trình bày bảng thiết kế ống dẫn dây và đầu kết nối với hệ đo. ............................ 85 
Hình 3.39. Trình bày bảng thiết kế Chân nối và BNC connector. ......................................... 86 
Hình 3.40. Trình bày bảng thiết kế O-ring. ........................................................................... 86 
Hình 3.41. Trình bày toàn bộ bảng thiết kế bộ gá cho việc khào sát hoạt động của linh kiện
QCM. ................................................................................................................................... 87 
Hình 3.42. Bộ gá linh kiện QCM sau khi chế tạo.................................................................. 88 
Hình 3.43. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano Au. ...................................................... 89 
Hình 3.44. Các dung dịch nano Au điều chế được. ............................................................... 89 
Hình 3.45. Phổ UV-Vis của các dung dịch nano Au. ............................................................ 90 
Hình 3.46. Ảnh TEM của các dung dịch nano Au. ............................................................... 91 
Hình 3.47. Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Au trong dung dịch. .................................. 92 
Hình 3.48. Các hạt nano vàng gắn kết với kháng thể. ........................................................... 93 
Hình 3.49. Phổ UV-Vis của các dung dịch nano Au gắn kết với kháng thể. .......................... 94 
Hình 3.50. Tần số của cảm biến thay đổi tương ứng theo các nồng độ E.coli O157:H7 (a) 102
CFU/ml, (b) 104 CFU/ml, (c) 106 CFU/ml. ........................................................................... 96 
Hình3.51. Trình bày mô hình khuếch đại tần số và tăng giới hạn phát hiện trên linh kiện

QCM sữ dụng phương pháp Protein A [21] .......................................................................... 98 
Hình 3.52. Tần số của cảm biến thay đổi tương ứng với các nồng độ vi khuẩn khác nhau [25]
............................................................................................................................................. 99 
Hình 4.2. Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 2000 vòng/phút....................................105 
Hình 4.3. Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 2500 vòng/phút....................................105 
XIV


Hình 4.4. Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 3000 vòng/phút....................................105 
Hình 4.5. Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 3500 vòng/phút....................................106 
Hình 4.6. Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 4000 vòng/phút....................................106 
Hình 4.7. Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 4500 vòng/phút....................................107 
Hình 4.8. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 180s. ...................108 
Hình 4.9. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 120s. ...................109 
Hình 4.10. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 90s. ...................109 
Hình 4.11. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 60s. ...................110 
Hình 4.12. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 30s. ...................110 
Hình 4.13. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 10s. ...................111 
Hình 4.14. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 7s. .....................111 
Hình 4.15. Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 5s. .....................112 

XV


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài/Dự án

Nghiên cứu thiết và chế tạo thử nghiệm linh kiện vi cân tinh thể thạch anh
(Quartz Crystal Microbalance - QCM) ứng dụng trong cảm biến sinh học.
Tổ chức chủ trì thực hiện đề tài/dự án
Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế Vi mạch (ICDREC)– Đại học Quốc
Gia TP. Hồ Chí Minh.
Chủ nhiệm đề tài/dự án
ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm
Thời gian thực hiện
Từ tháng 10/2009 đến tháng 04/2010.
Tổng kinh phí thực hiện
Kinh phí được duyệt: 730 triệu đồng.
Kinh phí đã cấp:
-

Theo TB số 190/TB-SKHCN ngày 14 tháng 10 năm 2009

-

Theo TB số 62/TB-SKHCN ngày 25 tháng 05 năm 2010

2. Mục tiêu của đề tài
-

Nghiên cứu quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo thử nghiệm linh kiện
vi cân tinh thể thạch anh (QCM) ứng với tần số khoảng 5 MHz ứng dụng
trong cảm biến sinh học.

-

Đào tạo các cán bộ nghiên cứu trong lĩnh vực bán dẫn. Các cán bộ
nghiên cứu của hai đơn vị chủ quản này sẽ trở thành nguồn nhân lực có
trình độ cao, tạo tiền đề vững chắc cho sự phát triển hoàn thiện của
ICDREC và SHTP theo mô hình trung tâm nghiên cứu và chuyển giao
công nghệ cao.

3. Nội dung thực hiện
Đề tài được chia thành hai giai đoạn nghiên cứu với các hạng mục như sau:
 Giai đoạn 1 thực hiện các nội dung
ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

1


Báo cáo cuối kỳ

-

ICDREC - SHTP

Thiết kế bộ mask linh kiện QCM, mô phỏng hoạt động của linh kiện
QCM ứng với bộ mask được thiết kế tần số cộng hưởng cơ bản khoảng
5MHz

-

Hoàn thiện bộ mask và chế tạo linh kiện QCM có tần số cộng hưởng cơ
bản khoảng 5MHz

-

Chế tạo dung dịch nano Au

-

Chế tạo dung dịch nano Au gắn kết với anti-E.Coli

 Giai đoạn 2 thực hiện các nội dung
-

Thiết kế và chế tạo bộ gá /giữ linh kiện QCM

-

Xây dựng quy trình công nghệ gắn kết thành phần sinh học lên điện cực
làm việc của linh kiện QCM

-

Báo cáo tổng kết đề tài.

4. Sản phẩm của đề tài
Sản phẩm của đề tài
Yêu cầu về khoa học và kỹ thuật
Quy trình mô phỏng và thiết kế linh - Sử dụng phần mền Matlab để mô phỏng
kiện cảm biến vi cân tinh thể thạch
tính chất điện của linh kiện QCM ứng
anh ứng với tần số cộng hưởng cơ bản
với bề dày của linh kiện QCM 325 +/khoảng 5 MHz.

25 µm, đặc tính của dung dịch trên bề
mặt điện cực như mật độ, độ nhớt… kết
quả sẽ cho ra đồ thị dẫn nạp phức, đồ thị
sự dịch chuyển góc pha độ dẫn-nạp, đồ
thị phổ dẫn nạp của QCM có các màng
lắng đọng trong dung dịch với chiều dày
khác nhau. Đưa ra hệ số phẩm chất của
linh kiện QCM tương ứng với các màng
lắng đọng đó.
- Sử dụng phần mềm ANSYS để mô
phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM
ứng với các thông số đầu vào dự kiến
là: kích thước điện cực là 6,5 mm và 13
mm, các thông số khối lượng riêng
phiến quartz… tần số cộng hưởng cơ
bản f0, biên độ biến dạng trượt bề mặt
khi có điện áp đặt vào hai điện cực trong
trường hợp không tải (linh kiện QCM
ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

2


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP

chưa được gắn các đầu thu sinh học lên
điện cực) và khi có tải (linh kiện QCM

được gắn các đầu thu sinh học lên điện
cực).
Qui trình chế tạo điện cực kim loại - Dự kiến đưa ra khoảng 8 bước cho quy
trên linh kiện vi cân tinh thể thạch
trình chế tạo với kết quả đều ra dự kiến
anh
các lớp phủ Ti/Au khoảng 25/100
Qui trình gắn kết các tác nhân sinh - Dự kiến sẽ gắn anti-E coli lên trên các
học lên điện cực QCM.
hạt nano Au với kích thước 10-30 nm,
sau đó đưa các dung dịch khi gắn kết lên
trên bề mặt điện cực linh kiện QCM với
kích thước khoảng 13 mm.
Cảm biến sinh học

- 3 linh kiện và đi kèm theo bộ gá giữ

Linh kiện cảm biến vi cân tinh thể - 5 linh kiện với kích thước điện cực lớn
thạch anh
khoảng 13 mm và điện cực nhỏ 6,5 mm.
Bề dày lớp phủng vàng 100 nm
2 báo cáo khoa học

- Đăng trong tạp chí hoặc kỷ yếu hội nghị
trong và ngoài nước

Báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu - Biên bản đánh giá của hội đồng nghiệm
đề tài-toàn văn và tóm tắt theo mẫu
thu
của Sở KH&CN

ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

3


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP

Chương 1:

TỔNG QUAN
1.1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LÃNH VỰC ĐỀ
TÀI

1.1.1 Ngoài nước
Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX đã xuất hiện một cuộc cách mạng về công
nghệ micro. Cuộc cách mạng này đã mang đến cho các ngành công nghiệp một cơ hội
phát triển mới có tính chất toàn diện. Trong giai đoạn phát triển này đã có rất nhiều loại
vật liệu được phát hiện và nghiên cứu hướng tới ứng dụng trong công nghiệp. Một
trong số đó chính là vật liệu tinh thể thạch anh ứng dụng chế tạo linh kiện vi cân tinh
thể, có tên tiếng anh là Quartz Crystal Microbalance (QCM). Linh kiện QCM này được
sử dụng rộng rãi như một thiết bị có khả năng xác định được sự thay đổi về khối lượng
cỡ picogram/cm2 thông qua sự thay đổi tần số cộng hưởng của tinh thể thạch anh [2].
Đặc biệt, linh kiện này có thể hoạt động được trong môi trường chất lỏng và khí [3, 4].
Do vậy, nó đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới trong

rất nhiều lĩnh vực của đời sống. Một trong những linh vực đang được quan tâm nghiên
cứu nhiều nhất hiện nay chính là khả năng ứng dụng làm cảm biến sinh học nhằm phát
hiện các virus, bệnh hiểm nghèo trong thời gian ngắn với độ nhạy và độ chính xác cao
hơn so với một số thiết bị cảm biến đang được sử dụng rộng rãi [2].

ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

4


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP

Hình 1.1. Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM [2].
Trên hình 1.1 trình bày cấu trúc hình học và các mode dao động của linh kiện
QCM Linh kiện QCM bao gồm một phiến tinh thể thạch anh loại AT- hoặc BT-cut với
hai điện cực kim loại trên hai bề mặt của phiến. Khi điện cực này tiếp xúc với bộ dao
động hoặc được đặt điện áp xoay chiều thì tinh thể thạch anh sẽ sinh ra biến dạng trượt
theo bề dày tinh thể. Kết quả của biến dạng là tạo ra sóng âm TSM (Thickness Shear
Mode) theo bề dày tinh thể. Dao động của tinh thể sẽ cộng hưởng khi bề dày tinh thể
bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng âm. Tại tần số này, tồn tại một sóng dừng dọc theo bề
dày tinh thể [5, 6] (hình 1.2). Thông thường thì dao động này rất ổn định và phụ thuộc
nhiều vào hệ số phẩm chất Q của linh kiện. Mặt khác các nghiên cứu cũng cho thấy
rằng với loại tinh thể thạch anh dạng AT-cut thể hiện tính chất áp điện rõ rệt nhất và
mạnh nhất so với các loại khác, đặc biệt nó có tính ổn định nhiệt cao khi hoạt động. Do
vậy, loại phiến AT-cut thường được sử dụng trong bộ điều khiển tần số và chế tạo cảm
biến [6].

ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

5


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP
Điện cực trên

Phiến AT
Sự dịch
chuyển
Điện cực dưới

Hình 1.2. Mode sóng cơ bản của QCM [5].

dN


2

fN 


Vq



N

2d
N

( N= 1,3,5…)

vq
2d

(1.1)

(1.2)

Trong đó: N được gọi là bậc của mode dao động, d : chiều dày tinh thể (µm),

 : bước sóng (m), q= 3320m/s: vận tốc sóng âm trong tinh thể thạch anh loại ATcut.
Tần số f 0 ứng với N=1 gọi là tần số đặc trưng của sóng âm, được xem là tần số
bậc mode cơ bản của tinh thể:

f0 

vq
2d

(1.3)

Năm 1959, Sauerbrey đã phát hiện ra mối liên hệ giữa sự dịch chuyển tần số dao
động của tinh thể Quartz với sự thay đổi khối lượng trên một đơn vị diện tích bể mặt
của nó. Công trình trở thành nền tảng trong việc chế tạo và sử dụng linh kiện QCM như

một vi cân. Mối liên hệ giữa độ dịch tần số của linh kiện với sự thay đổi khối lượng
trên bề mặt điện cực được trình bày theo phương trình Sauerbrey [7]:

2. f 02 m
f  
A.(  q q )1/ 2
ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

6

(1.4)


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP

Trong đó, Δf là độ dịch tần số, f0 tần số cộng hưởng cơ bản của tinh thể; Δm sự
thay đổi khối lượng trên một đơn vị diện tích của linh kiện (g/cm2); A là diện tích làm
việc của linh kiện; khối lượng riêng của tinh thể Quartz ρp=2,648g/cm3; và modun biến
dạng của tinh thể Quartz µp = 2,947.1011 g/cms2.
Tuy nhiên, phương trình Sauerbrey không áp dụng được cho một số trường hợp
trong đó khối lượng thêm vào (1) không lắng đọng cố định trên bề mặt điện cực; (2)
trượt trên bề mặt của điện cực hoặc (3) không lắng đọng đồng đều trên bề mặt điện
cực. Vì vậy phương trình Sauerbrey không áp dụng được cho trường hợp trong đó sự
hấp thụ của khối lượng trên bề mặt điện cực không tạo ra một lớp bám dính cố định,
đồng đều và mỏng trên bề mặt điện cực của linh kiện QCM. Do vậy, phương trình
Sauerbrey chủ yếu áp dụng trong trường hợp linh kiện sử dụng để phát hiện và đo đạc
sự thay đổi khối lượng ở trạng thái khí. Hay nói cách khác nó được ứng dụng chế tạo

các cảm biến nhạy khí. Tuy nhiên, cho đến năm 1980 các nhà khoa học phát hiện ra
rằng tần số dao động của linh kiện đặc biệt ổn định khi linh kiện được nhúng hoàn toàn
vào trong dung dịch. Nhóm tiên phong trong việc nghiên cứu hoạt động của linh kiện
này trong môi trường dung dịch là nhóm của giáo sư Kanazawa. Nhóm nghiên cứu
này chỉ ra rằng sự thay đổi tần số cộng hưởng của linh kiện QCM trong trường hợp này
tỷ lệ căn bậc hai của khối lượng riêng và độ nhớt của dung dịch [8]:

 f   f u3 / 2

 L L
 .(  q  q )

(1.5)

Trong đó, Δf là độ dịch tần số, fu tần số cộng hưởng của tinh thể trong chế độ
không tải; ρL là khối lượng riêng của dung dịch; ηL hệ số nhớt của dung dịch; khối
lượng riêng của tinh thể Quartz ρp=2,648g/cm3; và modun biến dạng của tinh thể
Quartz µ p = 2,947.1011 g/cm.s2.(hoặc 2,947.1010 Pa. Đây chính là cơ sở cho các ứng
dụng của QCM trong việc xác định mật độ cũng như độ nhớt của môi trường.
Mô hình và công nghệ chế tạo cảm biến sinh học đầu tiên được hai nhà khoa học
Clark và Lyons đưa ra vào năm 1962. Mô hình của cảm biến sinh học này bao gồm
điện cực oxy hóa trên đó cố định thành phần sinh học enzyme glucose. Khi mật độ
ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

7


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP

glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxy hóa trên bề mặt điện cực
cũng giảm một cách tương ứng. Sự thay đổi này cho phép xác định chính xác nồng độ
glucose trong môi trường cần kiểm tra. Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument
(Ohio) lần đầu tiên biến ý tưởng của Clark thành hiện thực thông qua việc thương mại
hóa các cảm biến sinh học. Sản phẩm đầu tiên là thiết bị phân tích glucose dựa trên
hydrogen peroxide và đó cũng là cột mốc đầu tiên đánh dấu sự xuất hiện của các cảm
biến sinh học trong đời sống [10]. Cũng chính vì sự xuất hiện cũng như ưu điểm của
loại cảm biến này đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong
nhiều ngành nghiên cứu như vật lý, hóa học, hóa sinh, sinh học phân tử và khoa học
vật liệu. Do vậy công nghệ chế tạo cảm biến sinh học phát triển mạnh mẽ với độ ổn
định và tính tin cậy cao. Hơn nữa phạm vi ứng dụng của các cảm biến này ngày càng
đa dạng và phong phú.
Theo đánh giá điều tra hàng năm của tổ chức quốc tế thì số tiền chi cho việc
nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học đạt 300 triệu USD[9]. Từ năm 1984 đến
năm 1990 đã có khoảng 3000 báo cáo khoa học và khoảng 200 bằng sáng chế trong
lĩnh vực ứng dụng cảm biến sinh học. Từ năm 1991 đến năm 1997, số lượng báo cáo
khoa học cũng tương tự như trong giai đoạn từ năm 1984 đến 1990 (khoảng 3300 báo
cáo khoa học). Tuy nhiên số lượng bằng sáng chế tăng lên đến con số 400. Đặc biệt
hơn nữa, từ năm 1998 đến năm 2008, số lượng báo cáo khoa học và bằng sáng chế tăng
lên đến con số kỷ lục: hơn 10,000 bài báo và gần 2000 bằng sáng chế[10]. Điều này
cho thấy khả năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai của các hoạt động nghiên cứu và
chế tạo cảm biến sinh học ứng dụng trong tất cả lĩnh vực của đời sống và khoa học sản
xuất của loài người.
Như chúng ta đã biết, cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học
như enzyme, các kháng thể…để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất thông qua
các phản ứng sinh-hóa có độ tin cậy chính xác 100%. Do vậy, có thể nói độ chính xác
cũng như độ nhạy của cảm biến sinh học phụ thuộc mạnh mẽ vào quá trình chuyển đổi
từ tín hiệu sinh học sang tín hiệu có thể cân đo được. Bộ phận có tác dụng chuyển đổi

ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

8


Báo cáo cuối kỳ

ICDREC - SHTP

này được gọi là Transducer, đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến. Cho đến nay
đã có rất nhiều công nghệ được nghiên cứu, hoàn thiện và đưa vào ứng dụng chế tạo
cảm biến. Trong số đó chuyển đổi bằng tinh thể áp điện là một trong những công nghệ
mới thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học cũng như các hãng
sản xuất [10]. Nguyên lý hoạt động cơ bản của chuyển đổi này chính là dựa vào sự suy
giảm tần số cộng hưởng của tinh thể áp điện dao động kiểu mode trượt bề dày khi có
sự gia tăng khối lượng của màng lắng đọng trên bề mặt tinh thể. Do vậy transducer của
cảm biến sinh học áp dụng dạng chuyển đổi này được xem như linh kiện vi cân tinh
thể (Quartz Crystal Microbalance-QCM).
Cảm biến sinh học trên cơ sở linh kiện QCM (cảm biến QCM) tính đến thời điểm
này còn khá mới mẻ. Nó mới chỉ được manh nha nghiên cứu từ năm 1997 và phát triển
mạnh vào khoảng từ những năm 2004-2008. Cảm biến QCM có ưu điểm là độ nhạy
cao (cỡ picogram), thời gian phản ứng nhanh (có thể coi là real-time), khả năng cơ
động cao và đặc biệt hơn nữa là nó có thể hoạt động cả trong môi trường lỏng và môi
trường khí.

Hình 1.3. Vi cân tinh thể thạch anh QCM và hệ đo QCM200[9].
Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã được công bố rộng rãi trên các tạp chí khoa
học chuyên ngành cho thấy tiềm năng ứng dụng đa dạng của loại cảm biến QCM trong
nhiều lĩnh vực của cuộc sống như chuẩn đoán bệnh sớm, giải mã gen, ảnh hưởng

chuyển gen lên sự phát triển của thực vật cũng như môi trường sống, hoặc ảnh hưởng
của một số chủng virus gây bệnh lên cơ thể sống…Hơn nữa các kết quả nghiên cứu
cũng cho thấy khả năng vượt trội của chúng so với các phương pháp truyền thống
ThS. Ngô Võ Kế Thành
TS. Dương Minh Tâm

9