DSpace at VNU: Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc Nano silicon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

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

NGUYỄN VĂN QUỐC

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ ỨNG
DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA
TRÊN CẤU TRÚC NANO SILICON

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ iii
MỤC LỤC........................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................. vii
MỞ ĐẦU............................................................................................................viii
CHƢƠNG I TỒNG QUAN ................................................................................... 1
I . Lịch sử phát triển Cảm biến sinh học (biosensor) ..................................... 1
II. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire
based biosensors)......................................................................................... 3
CHƢƠNG II: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ
TẠO SỢI NANO SILICON................................................................................... 7

I. Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế
tạo sợi nano silicon .................................................................................... 7
II. Các kĩ thuật cơ bản sử dụng trong qui trình DEA .................................... 12
II.1 Công nghệ quang khắc ................................................................ 12
II.2 Công nghệ ăn mòn thẳng đứng ..................................................... 17
II.3 Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hƣớng ................................... 18
III.4 Kỹ thuật ăn mòn dị hƣớng màng kim loại .................................... 22
CHƢƠNG III CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON BẰNG PHƢƠNG
PHÁP DEA VÀ KẾT QỦA CHẾ TẠO ............................................................... 24
I. Chế tạo sợi bằng Qui trình DEA ............................................................. 24
II. Kết quả chế tạo ..................................................................................... 27
II.1 Kích thƣớc và tính chất bề mặt ........................................................ 27
II.2 Tính chất điện ................................................................................ 28
CHƢƠNG IV KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN DNA CỦA CẢM
BIẾN .................................................................................................................. 30
I. Biến đổi bề mặt sợi Si-NWs .................................................................. 30
I.1 Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi có lớp SiO2 ................................... 30


I.2 Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi Si không có SiO 2 ........................... 35
II Định lƣợng DNA bằng cảm biến sinh học Si- NWs ............................ 40


PHẦN MỞ ĐẦU
Phát hiện và định lƣợng nhanh các phần tử sinh học nhƣ glucose,
protein, ADN… ở nồng độ siêu nhỏ là một yêu cầu vô cùng quan trọng
trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của các ngành sinh học, y
tế, dƣợc phẩm và nông nghiệp… Ví dụ thông qua việc phát hiện các
protein đặc trƣng (protein markers), ADN đột biến (gen mutation),
kháng nguyên và kháng thể (antibodies, antigents), glucose… trong

bệnh phẩm, cho phép chẩn đoán nhanh, chính xác nhiều bệnh nguy hiểm
nhƣ ung thƣ, lây nhiễm virus, sản phẩm đột biến gen, tiểu đƣờng…
Những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần
đây đã xác định đƣợc trên 140 chất đánh dấu sinh học (biological
markers) nhƣ vậy, mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho nghiên cứu
và ứng dụng trong các ngành khoa học liên quan nhƣ sinh học, y học,
dƣợc phẩm, nông nghiệp…
Có nhiều kĩ thuật và phƣơng pháp đã và đang đƣợc sử dụng để
phân tích và định lƣợng các phần tử sinh học trên nhƣ kĩ thuật ELISA,
Polymer Chain Reaction (PCR), Surface Plosmon Resonance (SPR),
cộng hƣởng từ, phân tích hóa học… Tuy thế, chƣa có phƣơng pháp nào
trong các phƣơng pháp truyền thống này có đầy đủ khả năng cho phép
phát hiện nhanh, chính xác, đồng thời các phân tử sinh học nói trên. Do
đó việc nghiên cứu, chế tạo ra một thế hệ cảm biến mới có khả năng nhƣ
thế đang đƣợc đặc biệt quan tâm và đầu tƣ nghiên cứu.
Và một khả năng đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị phân tích
hiện nay cần đƣợc nghiên cứu, nâng cao đó là độ nhạy. Ví dụ việc phát
hiện nhanh các chất đánh dấu sinh học nói trên ở nồng độ siêu nhỏ
(trong khoảng nM-fM), sẽ cho phép chẩn đoán đƣợc bệnh trong thời
gian tiền nhiễm bệnh. Trong thời gian này, các phƣơng pháp y học (cả
truyền thống và hiện đại) đều phát huy rất hiệu quả trong việc chữa trị,
thậm chí với những bệnh hiểm nghèo nhƣ ung thƣ. Gần đây, nghiên cứu
của các nhà y học Anh cho thấy, nếu bệnh ung thƣ tuyến tiền liệt đƣợc
phát hiện trong giai đoạn sơ khởi (tiền nhiễm bệnh), thì bệnh nhân
không cần dùng đến các phƣơng pháp can thiệp của y học hiện đại (tốn
kém, nhiều ảnh hƣởng phụ). Trong trƣờng hợp này, bệnh nhân chỉ cần


uống nhiều nƣớc, ăn nhiều rau quả, tránh căng thẳng (tress), thì bệnh
gần nhƣ không phát triển hoặc thậm chí khỏi hẳn.

Cảm biến sinh học trên cơ sở sợi nano silicon (Silicon
nanowire biosensors): Sợi nano đƣợc định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi
với đƣờng kính sợi trong khoảng 1-100 nm. Nhƣ thế, chúng ta phải bó ít
nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để có một vật thể có kích thƣớc ngang
bằng sợi tóc ngƣời với đƣờng kính trung bình là 100 micron. Khi ở dạng
siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm
trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi,
rất nhạy với các thay đổi của môi trƣờng bên ngoài. Tính chất này làm
sợi nano trở thành vật liệu lí tƣởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế
hệ mới - cảm biến sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà
linh kiện truyền thống không có đƣợc. Do đó, việc nghiên cứu qui trình
công nghệ, chế tạo ra các cảm biến sợi Si-NWs và ứng dụng cảm biến
loại này vào phân tích sinh học đã và đang đƣợc quan tâm đặc biệt, và
đƣợc tiến hành ở các nhóm nghiên cứu thuộc các Đại học hàng đầu trên
thế giới và trong nƣớc.
Mục tiêu của luận văn Thạc sĩ này là: “Nghiên cứu, chế tạo và
ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon”. Đề tài
đƣợc thực hiện, sử dụng các thiết bị chế tạo và đo đạc tại Phòng thí
Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM.
Nội dung nghiên cứu đƣợc trình bày trong các phần chính sau:
Chương 1 – Tổng quan
- Giới thiệu sơ lƣợc về cảm biến sinh học.
- Giới thiệu về cảm biến sinh học
Chương 2 – Qui trình DEA và các kĩ thuật dùng để chế tạo
sợi nano silicon
- Qui trình chế tạo deposition and etching under angle (DEA)
- Các kĩ thuật và công nghệ cơ bản của DEA để chế tạo sợi
nano silicon
Chương 3 – Chế tạo sợi nano bằng phương pháp DEA và
kết quả chế tạo

- Chi tiết các bƣớc chế tạo sợi nano silicon bằng phƣơng
pháp DEA
- Kêt quả chế tạo
Chương 4 – Khảo sát khả năng phát hiện DNA của cảm
biến
- Biến đổi bề mặt sợi silicon thích hợp cho việc gắn thụ thể
- Đo đạc, phát hiện DNA của cây bắp chuyển gen.
Kết luận


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt
1.

Hồ Huỳnh Thùy Dƣơng, (2002). Sinh học phân tử. Nhà xuất bản
giáo dục, trang 24-30; 122-124.

2.

Trần Hồng Minh, bài giảng môn “Thiết kế vi hệ thống”.

3.

Nguyễn Mạnh Tuấn bài giảng, “Công nghệ chế tạoVật liệu và
Linh kiện cấu trúc nanô”.

Tài liệu tiếng anh
4.

http://
ww.aacc.org/.../LiverTumorMarkerLMPG/.../LiverTumorMarkers
Ch2.pdf

5.

Amy Pope-Harman et al., Biomedical Nanotechnology for Cancer,
Med Clin N Am 91 (2007) 899–927.

6.

Choi, Y.-K.; Zhu, J.; Grunes, J.; Bokor, J.; Somorjai, G. A. J. Phys.
Chem. B (2003), 107, 3340.

7.

Edwin T. Carlen and Albert van den Berg, “Nanowire
electrochemical sensors: can we live without labels?”, Lab Chip,
(2007), 7, 19 – 23.

8.

E. M. Talavera, M. Afkir, R. Salto, A. M. Vargas, J. M. AlvarezPez, Fluorescence-labelled DNA probes to detect complementary
sequences in homogeneous media, Journal of Photochemistry and
Photobiology B: Biology 59 (2000) 9 –14.

9.

F. Patolsky, G. F. Zheng, O. Hayden, M. Lakadamyali, X.W.

Zhuang, and C. M. Lieber, “Electrical detection of single viruses,”
Proc. Nat. Acad. Sci. USA, vol. 101, pp. 14017–14022, (2004).


10. Gang Peng et al., Diagnosing lung cancer in exhaled breath using
gold nanoparticles, Nature nanotechnology, Vol. 4, (October
2009), pp. 669-673.
11.

G.F. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W.U. Wang and C.M. Lieber,
“Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire
sensor arrays”, Nature biotechnology vol 23, number 10.

12.

G Peng et al., Detection of lung, breast, colorectal, and prostate
cancers from exhaled breath using a single array of nanosensors, Br
J Cancer. (2010 July )

13.

Hien Duy Tong, Songyue Chen, Wilfred G. van der Wiel, Edwin
T. Carlen, and Albert van den Berg, “Novel Top-Down WaferScale Fabricationof Single Crystal Silicon Nanowires”, Nanoletter ,
vol. 9, No.3, pp.1015-1022, (March, 2009).

14.

Hyun-Seung Lee et al., Electrical detection of VEGFs for cancer
diagnoses using anti-vascular endotherial growth factor aptamermodified Si nanowire FETs,, Biosensors and Bioelectronics 24
(2009) 1801–1805.

15. Jong-in Hahm and Charles M. Lieber, “Direct Ultrasensitive
Electrical Detection of DNA and DNA Sequence Variations Using
Nanowire Nanosensors”, Nano Letter (2004), vol 4, No 1.
16.

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

17.

L. Hood et al., Systems biology and new technologies enable
predictive and preventative medicine, Science, 306, 640,( 2004).

18.

Marco Curreli, Rui Zhang, Fumiaki N. Ishikawa, Hsiao-Kang
Chang, Richard J. Cote, Chongwu Zhou, and Mark E. Thompson,
“Real-Time, Label-Free Detection of Biological Entities Using
Nanowire-Based FETs”, IEEE Transactions on nanotechnology,
vol. 7, no. 6,( november 2008).


19. />20.

Niranjan S. Ramgir et al., Voltammetric Detection of Cancer
Biomarkers Exemplified by Interleukin-10 and Osteopontin with
Silica Nanowires, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 13981-13987.

21. S. Cross et al., Nanomechanical analysis of cells from cancer
patients, Nature Nanotechnology, Vol.2,( 2007), 780- 783.
22. S. Niu, G. Singh and R. F. Saraf, Label-less fluorescence-based
method to detect hybridization with applications to DNA microarra, Biosensors and Bioelectronics 23 (2007) 714–720.
23. T.M.C. Hoang: literature study on surface modification of silicon
nanowires, Internal Report, Nanosens Research B.V., (2009).
24. Young-Eun Choi et al., Nanotechnology for Early Cancer
Detection, Sensors, 428-455, (2010).
25. Wayne U. Wang, Chuo Chen, Keng-hui Lin, Ying Fang, and
Charles M. Lieber, “Label-free detection of small-molecule–protein
interactions by using nanowire nanosensors”, PNAS , (March 1,
2005) , Vol. 102 , No. 9, 3208–3212.