Đề tài nghiên cứu khoa học: Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử Spin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN KHOA HOC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA TRÊN HIỆN
TƯỢNG ĐIỆN TỬ SPIN

Nhóm 10:
Bùi Duy khánh
Nguyễn Thị Thu

NỘI DUNG TỔNG QUÁT:
I.
1.
2.
II.
1.
2.
-

Các khái niệm
Định nghĩa công nghệ spintronics
Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin
Những kiểu biosensor truyền thống
Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin
Nguyên lý chung
Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin
Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin
1

MỞ ĐẦU
Sự nhận biết có tính chọn lọc và mơ tả định lượng của tất cả các loại phân tử sinh
học đóng vai trị quan trọng trong khoa học sinh học, trong chuẩn đoán lâm sàng,
nghiên cứu y tế, và cả trong việc kiểm sốt ơ nhiễm mơi trường. Gần đây, ý tưởng
của việc tích hợp tất cả những quá trình phân tích trên thành một thiết bị cầm tay dễ
sử dụng, có thể cho kết quả ngay lập tức tại vị trí cần phân tích, đã nhận được rất
nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các cơng ty cơng nghệ sinh học. Từ đó
một hệ thống dạng lab-on-chip có tên “biosensor” được đưa ra để đơn giản hố có
hiệu quả nhiều nhiệm vụ trong các lĩnh vực điều trị y tế hoặc nghiên cứu sinh học,
và thậm chí có thể mở ra những ứng dụng hồn toàn mới.
Biosensor là một thiết bị phát hiện, nhận dạng, và truyền thông tin về một sự thay
đổi sinh-lý, hay sự có mặt của các chất hóa học khác nhau, hoặc những vật liệu sinh
học trong mơi trường. Chúng có thể phát hiện và đo chính xác những nơi tập trung
của vi khuẩn hay những chất hóa học nguy hiểm. Biosensor sử dụng nhiều phương
pháp dị tìm khác nhau. Biosensor có thể được chia làm hai kiểu chính: một là vẫn
sử dụng phương pháp đánh dấu, một là thử sử dụng phương pháp phát hiện sự lai
hóa trực tiếp. Trước đây, phương pháp chính là sử dụng phương pháp dị tìm huỳnh
quang (biosensor huỳnh quang). Tuy nhiên một vài năm trở lại đây, với sự phát triển
mạnh mẽ của một công nghệ mới: spintronic (điện tử học spin) đã tạo ra một sự
phát triển mới cho các chíp sinh học spintronic với ưu điểm vượt trội là độ nhạy cao
hưởng ứng nhanh dễ tích hợp, dễ tự động hóa đã thay thế việc đánh dấu bằng
huỳnh quang truyền thống đắt tiền. Bằng cách sử dụng hạt từ được điều khiển bởi
dịng điện ta có thể phân tích được nhiều mẫu sinh học chúng ta có thể sử dụng hạt
từ để phát hiện các tương tác sinh học. Việc dị tìm các hạt từ có thể sử dụng cảm
biến từ điện trở dị hướng (AMR), cảm biến từ điện trở khổng lồ (GMR), cảm biến
spin-valve, cảm biến điện trở Hall mặt phẳng (PHR), cảm biến từ điện trở xuyên
ngầm (TMR). Hầu hết các cảm biến từ điện trở đều dựa trên hiệu ứng từ - điện trở.
I.
Một số khái niệm

1. Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học
a. Bộ cảm biến
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay q trình vật
lý hay hóa học ở mơi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu
thập thông tin về trạng thái hay q trình đó.

2


Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của mơi trường,
phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn
là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình
khác.
Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu
dị (probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi
ln là "cảm biến" .
b. Cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng
thể, ... để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hố chất . Theo IUPAC (International
Union of Pure and Applied Chemistry) thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một
thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thơng tin phân tích định lượng hoặc bán định
lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp
với một phần tử chuyển đổi ”
Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống như chuyển đổi sẽ biến đổi tín hiệu nhận
được thành tín hiệu điện đo được. Hai thành phần này sẽ được tích hợp vào một
cảm biến ta có thể thấy trên hình 1. Sự kết hợp này cho phép nó có thể đo mục tiêu
cần phân tích mà khơng cần sử dụng thuốc thử

• Cấu tạo chung của cảm biến sinh học
Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm bốn bộ phận chính: (B) Đầu

thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học
cần phân tích; (B) Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực; (C) Bộ
phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể
đo đạc được; (D) Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra (bộ phận này có tác dụng chuyển
thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý).
• Tác nhân cần phát hiện được phân loại theo cấu tạo như sau

3


Các vi khuẩn: các vi khuẩn thường được phát hiện bởi các cảm biến sinh học là vi
khuẩn Ecoli, vi khuẩn Candida, vi khuẩn bệnh than …
Các phân tử nhỏ: các phân tử nhỏ mà cảm biến sinh học có thể phát hiện được là
CO, CO2, phân tử gluco, phân tử rượu, ure, thuốc trừ sâu, amino axit, paracetamol,
aspirin, penicilin, TNT, các tác nhân thần kinh khác, …
Các phân tử sinh học có kích thước lớn: những phân tử này có thể là các phân
tử ADN, RNA, protein, enzyme, các hocmon, …
• Đầu thu sinh học
Nhiều cảm biến sinh học sử dụng các kết hợp đã được phát triển rất cụ thể cho các
ứng dụng. Có hai loại đầu thu sinh học. Đầu tiên, các cảm biến sinh học sử dụng
các enzyme hoặc kháng thể oligonucleotid, ví dụ các chất có nguồn gốc sinh học,
được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể trong cơ thể sống. Do vậy, chúng
được sử dụng để phát hiện một chất cụ thể. Ngồi ra cịn có những đầu thu sinh
học có thể được mô tả giả như ngược với đầu thu sinh học tự nhiên, thơng qua các
phương pháp điện hố có thể phát hiện một số chất.
Đầu thu sinh học (Biological Receptor) là những đầu thu phản ứng trực tiếp với các
tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học. Dựa vào các
tác nhân sinh học sử dụng người ta chia ra thành một số loại đầu thu như sau:
- Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ enzyme là dạng đầu thu
phổ biến nhất. Đó là các đầu thu làm từ các enzyme urease, glucose, ...

- Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên: Các đầu thu dạng này có đặc
điểm là tính chọn lọc rất cao đồng thời các liên kết được tạo thành khá mạnh.
- Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các
protein như cảm biến phát hiện hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh,
... Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc rất cao. Tuy nhiên, chúng có
nhược điểm là rất khó cách ly.
- Đầu thu làm từ các axit nucleic: Các axit nucleic như ADN, ARN có thể sử
dụng làm đầu thu sinh học. Các cảm biến có đầu thu dạng này thường được
sử dụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền.
- Đầu thu kết hợp: Với các đầu thu dạng này, người ta sử dụng đồng thời hai
hay nhiều các phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein, ...) trên một đế. Việc
kết hợp này mở rộng khả năng làm việc của các cảm biến sinh học. Một số
cảm biến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi
khuẩn bệnh than và cảm biến thử thai.
- Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không chỉ được làm từ các
phân tử, nguyên tử mà nó cịn có thể được làm từ các tế bào. Một số tế bào
biến đổi gen của vi khuẩn đã được sử dụng làm đầu thu sinh học. Khi có mặt

4


các phân tử chất độc, các tế bào này sẽ phát sáng, thơng qua đó chúng ta xác
định được sự xuất hiện của các phân tử chất độc.
• Tác nhân cố định
Các tác nhân cố định là một phần rất quan trọng trong cảm biến sinh học. Các tác
nhân này có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế. Nói một cách khác
đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn
gốc từ cơ thể sống) với thành phần vơ cơ.
• Bộ phận chuyển đổi
Đây là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học. Có nhiều dạng chuyển đổi như

chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể
áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ.
Chuyển đổi điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa trên điện thế (potentiometric), dòng
điện (amperometric) và độ dẫn (conductometric).
Chuyển đổi quang là chuyển đổi hoạt động dựa trên các hiệu ứng như: hấp thụ
ánh sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang và lân quang; bio–
luminiscence; chemi–luminiscence..
Chuyển đổi nhiệt hoạt động dựa trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành
hoặc phá vỡ các liên kết hóa họctrong các phản ứng của enzyme. Bộ chuyển đổi
này có ưu điểm hoạt động tốt với tất cả các phản ứng. Tuy nhiên, dạng chuyển đổi
này có tính chọn lọc thấp.
Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện (piezoelectric) hoạt động dựa trên nguyên lý:
tinh thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi. Chuyển đổi
dạng này có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogam), thời gian phản ứng nhanh, khả
năng cơ động cao, có thể sử dụng đo đạc trong mơi trường lỏng và khí.
Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ Nguyên lý hoạt động của cảm biến sử dụng
chuyển đổi này như sau: chiếu một chùm laser đến bộ phản xạ trên bề mặt một
thanh dầm rất mỏng, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi photodetector. Thanh
mỏng này được chế tạo sao cho chỉ với một lực tác động rất nhỏ cũng làm cho
thanh bị uốn cong đi. Như vậy tín hiệu phản xạ thu nhận được trên photodetector
sẽ bị thay đổi so với trường hợp khơng có lực tác dụng lên thanh. Căn cứ vào sự
thay đổi tín hiệu phản xạ này, người ta có thể xác định được lực tác dụng lên thanh
• Mơ hình cấu tạo của 1 cảm biến từ:

5


2. Định nghĩa cơng nghệ Spintronics
Cơng nghệ Spintronics chính là sự kết hợp của hai lĩnh vực điện tử học và từ
học nhằm tạo ra các chức năng mới cho vi điện tử hiện đại. Công nghệ Spintronics

là một kỹ thuật liên ngành với một mục tiêu chính là thao tác và điều khiển các bậc
tự do của spin trong các hệ chất rắn. Nói một cách đơn giản, cơng nghệ Spintronics
là một ngành nghiên cứu mới nhằm tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển
và thao tác spin của điện tử.
Mục tiêu quan trọng của công nghệ Spintronics là hiểu về cơ chế tương tác
giữa spin của các hạt và mơi trường chất rắn, từ đó có thể điền khiển cả về mật độ
cũng như sự chuyển vận của dòng spin trong vật liệu.
Sơ lược về các thế hệ Spintronics
Một cách tương đối, có thể chia các linh kiện spintronics thành 3 thế hệ:
•
Thế hệ thứ nhất: Gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng GMR,
TMR, trong các màng mỏng đa lớp, các màng mỏng từ tiếp xúc dị thể kim loại-kim
loại hoặc kim loại-điện mơi..., ví dụ như các cảm biến, đầu đọc từ điện trở trong các
đĩa cứng, các bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM), các transitor kim loại (hay transitor
lưỡng cực), transitor valse spin, cơng tắc/khố đóng mở spin, ...
•
Thế hệ thứ hai: Bao gồm các linh kiện hoạt động dựa trên việc tiêm
hoặc bơm dòng phân cực spin qua tiếp xúc dị thể bán dẫn- sắt từ hay bán dẫn từbán dẫn (điều này giúp cho việc tận dụng được các kỹ thuật vi điện tử hiện nay). Đó
là các mạch khoá siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,...
Các linh kiện này sử dụng các vật liệu bán dẫn pha loãng từ, bán dẫn sắt từ hay các
bán kim, các linh kiện vận chuyển đạn đạo (ballistic electron transport) sử dụng hiệu
ứng từ điện trở xung kích, và các loại transistor spin như ở thế hệ thứ nhất. Một thế
hệ linh kiện spin mới đang được phát triển mạnh và rất có triển vọng hiện nay là các
6


bộ nhớ từ và các cổng lôgic dựa trên điều khiển vách đômen để tạo thành các bit
thông tin trong các cấu trúc nano từ tính. Bạn có thể tưởng tượng, thơng tin được
mã hố 0 và 1 thơng qua sự định hướng của các mômen từ trong các đômen. Sự
điều khiển các vách đơmen chính là điều khiển các bit thơng tin. Vách đơmen có thể

điều khiển dễ dàng bằng từ trường hoặc dòng điện. Và hiện nay, hướng spintronics
này mục tiêu là tạo ra, và điều khiển các q trình dịch chuyển, hãm, huỷ... các vách
đơmen trong các phần tử nhỏ (ví dụ các nanowire, các nanodot, các bẫy đơmen)
•
Thế hệ thứ ba: Là các linh kiện sử dụng các cấu trúc nano (dạng
chấm lượng tử, dây và sợi nano) và sử dụng các trạng thái spin điện tử đơn lẻ như
cổng logic lượng tử (là cơ sở cho máy tính lượng tử), các transistor đơn spin
(SFET), ...
Cảm biến van spin thuộc thế hệ linh kiện đầu tiên đã được chế tạo và đưa
vào sử dụng ở mức độ thương phẩm từ cuối thế kỷ 20. Một số linh kiện điển hình
của thế hệ này là kính hiển vi từ điện trở, robot xúc giác hay robot thông minh, đầu
đọc ghi ổ cứng tốc độ cao, phím bấm không tiếp xúc, động cơ không chổi than, giải
mã vạch, đếm tốc độ,điều chỉnh đánh lửa bugi động cơ đốt trong máy trợ thính, ...
Các bộ nhớ MRAM khơng tự xóa đang bắt đầu có sản phẩm thương phẩm, và được
dự đoán là sẽ chiếm lĩnh thị trường thương mại và tiêu dùng trong những năm gần
đây. Hiện nay việc phòng chống tội phạm và khủng bố đang rất được ngành an ninh
và quân đội quan tâm. Ngành tư pháp và quân đội Mỹ đã có những dự án nghiên
cứu chế tạo các thiết bị điện tử nhạy với từ trường yếu theo nguyên lý của
spintronics, đến mức có thể đo được từ xa từ trường có cường độ chỉ cỡ femtoTesla
Tiểu kết: trong bài này, chúng ta đang tìm hiểu về cảm biến sinh học dựa trên hiện
tượng điện tử spin. Nghĩa là bộ phận chuyển đổi của cảm biến sinh học ứng dụng
bởi công nghệ spintronics tạo ra 1 lĩnh vực mới rất được quan tâm trong công nghệ
sinh học và y sinh học. Như việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai
trị rất quan trọng trong ngành cơng nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và
nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học. Đặc biệt, còn mở ra một khả
năng lớn trong việc phát triển các cơng cụ vừa có giá trị sử dụng cao vừa có giá
thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN trong chuẩn đốn các bệnh về
gen, nhận biết biến dị hoặc mơ tả định lượng của gen và nhận biết tương tác kháng
thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí sinh học.
II.

Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin

Trước đây, biosensor đã thành công với phương pháp đánh dấu huỳnh quang. Tuy
7


nhiên, nhờ sự phát triển của điện tử học spin, thay vì nhận biết các phân tử sinh
học bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quang quang học hay lazer,
chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến ứng dụng công nghệ điện tử học spin
dựa trên các hiệu ứng GMR, AMR, TMR, Hall, Planar Hall,...
1. Những kiểu biosensor truyền thống
Trước đây loại cảm biến phổ biến nhất là cảm biến sinh học sử dụng phương pháp
huỳnh quang, có cấu tạo chung như sau:
- Một dãy các đầu dò được gắn cố định trên bề mặt cảm biến bằng những chấm
mirco (thường là các hạt huỳnh quạng).
- Buồng lai hóa (thường là một hệ thống vi rãnh, cịn gọi là vi kênh chứa chất lỏng
có kích thước mirco).
- Một cơ cấu để sắp xếp các DNA đích tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho các
phân tích phân tử tích điện như DNA hoặc các dãy đường dẫn tạo từ trường cho
các DNA đích gắn hạt từ).
- Các hạt dị tìm.
Trên hình 2 mơ tả q trình dị tìm bằng phương pháp đánh dấu huỳnh quang, gồm
3 giai đoạn:
- Cố định đầu dò trên bề mặt chip.
- Nhỏ dung dịch có chứa các DNA đích cần dị tìm.
- Các phân tử sinh học là phần bù của nhau sẽ liên kết với nhau, quá trình lai hóa
xảy ra và sau đó rửa sạch các phần tử không cần thiết.

Phương pháp này cho ta biết số lượng gen xác định và so sánh sự khác nhau giữa

các mẫu cần phân tích. Sự dị tìm này khơng những cho biết được sự có mặt của
phân tử bị bệnh mà còn cho biết được số lượng của các phân tử đó trong mẫu.

8


2. Cảm biến sinh học theo công nghệ điện tử spin
a. Nguyên lí chung:
Một chip sinh học (biochip) sử dụng cơng nghệ spin điện tử cơ bản gồm có một dãy
các phần tử cảm biến (như các cảm biến từ-điện trở); một dãy các đầu dò (các phân
tử sinh học đã biết như các chuỗi nucleotide đặc trưng của các gen hoặc các kháng
thể) được cố định trên bề mặt của các sensor (thơng qua các chấm có kích thước
mirco hoặc các dãy được sắp xếp theo đặc trưng điện hoặc từ); một buồn lai hóa
(thường là một bộ ráp nối các rãnh chứa chất lỏng có kích thước mirco); một cơ cấu
dùng để sắp xếp các bia (target) tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho các phân
tích phân tử tích điện như DNA hoặc các dãy đường dẫn tạo từ trường cho các bia
được gắn hạt từ) (hình 3).
Hình 3. Sơ đồ một biochip sử dụng cơng nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy
các bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân
tử sinh học được cố định trên bề mặt sensơ (trong trường hợp này là các phân
tử ADN đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi ADN) và các hạt
từ được có thể liên kết được với bề mặt cảm biến thông qua thông qua các lai
hóa phân tử sinh học (các lai hóa ADN). Ở hình bên cạnh, nhận dạng phân tử
sinh học đạt được bằng cách nhận biết từ trường tán xạ tạo bởi label từ nhờ bộ
chuyển tín hiệu sử dụng cơng nghệ spin điện tử.

9


Các đối tượng dị tìm (phân tử sinh học trong mẫu dùng để nhận dạng như chuỗi

DNA, phần bù phù hợp của các đầu dò DNA cố định hoặc các kháng nguyên tương
ứng với các kháng thể cố định) được nhỏ lên trên bề mặt chip để quá trình nhận
dạng được tiến hành. Các phân tử sinh học có thể được gắn hạt từ tính trước hoặc
sau bước lai hóa (recognition). Các hạt từ thường là các hạt siêu thuận từ hoặc sắt
từ khơng có từ dư với kích thước nano hoặc mirco và có khả năng gắn kết với các
phân tử sinh học. Dưới tác dụng của từ trường, các hạt này sẽ bị từ hóa và từ độ
tổng hợp xuất hiện. Từ trường sinh ra từ các hạt từ bị từ hóa có thể thay đổi điện trở
của cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử, do đó có thể giúp ta nhận biết được
các phân tử sinh học cần phân tích.
Các chip sinh học (biochip) dựa trên hiệu ứng từ điện trở được giới thiệu lần đầu
vào năm 1998 ở phịng thí nghiệm nghiên cứu hải quân (NRL) của Mỹ. Sau đó trên
thế giới phát triển thêm nhiều phịng nghiên cứu và các cơng ty phát triển hệ thống
này. Việc nhận biết hạt từ được hoàn thiện băng cách sử dụng các cảm biến tích
hợp từ điện trở có cấu trúc và hình dạng khác nhau như GMR hình que, cấu trúc
GMR hình gấp khúc (meander GMR structures) và các GMR hình xoắn ốc; các cấu
trúc van spin đường thẳng, hình răng lược và hình chữ U; các vịng AMR; cảm biến
hình chữ thập sử dụng hiệu ứng Hall mặt phẳng; và các tiếp xúc từ xuyên ngầm.
Các cấu trúc này còn cho phép sử dụng từ trường để điều khiển độ chính xác và
các thao tác trên chip, kết hợp sự truyền dẫn tín hiệu với việc dị tìm.
Ngun lý của biochip sử dụng cơng nghệ spin điện tử đã được sử dụng để dò tìm
các biểu hiện của các phân tử sinh học (bao gồm các liên kết sinh học) trong các
mơ hình liên kết như liên kết biotin-streptavidin, immunoglobulinG-Protein A (ví dụ
cystic fibrosis-bệnh xơ nang), trong các phát triển ứng dụng dùng cho việc dị tìm
các tế bào từ vi sinh vật gây bệnh. Cấu trúc của hai chip sử dụng sự lai hóa có hỗ
trợ của từ trường và việc dị tìm các DNA cần dị có liên quan tới bệnh xơ nang là
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm chip với các DNA phần bù
với các DNA cần dị tìm. Sau khi nhỏ các phân tử sinh học có đính hạt từ lên bề mặt
cảm biến, một dòng điện được đặt vào trong khoảng 3 phút để thu hút các hạt vào
khu vực cảm nhận, sau đó các hạt từ được giữ ổn định trong vòng 3 phút để q
trình lai hóa diễn ra. Chip được rửa để loại bỏ các hạt từ khơng có liên kết riêng

hoặc liên kết yếu. Khi đó người ta thu được tín hiệu cịn lại vào khoảng 1mV do lai
hóa. Tín hiệu này tương ứng với 50 hạt nano liên kết với bề mặt. Khi sử dụng các
phân tử sinh học cần dị khơng phải là phần bù của đầu dị, tín hiệu trở lại với
đường nền nghĩa là khơng có sự lai hóa xảy ra. Các cảm biến cỡ nhỏ (2,6mm 2) có
dải hoạt động nhỏ chứa được vào khoảng 200 hạt nano với đường kính 250mm,
nhưng cho tín hiệu trên từng hạt lớn hơn.
b. Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin:
10


Tất cả các thiết bị điện tử học spin (spintronics) bao gồm cả những cảm biến điện tử
học spin đều dựa trên việc điều khiển các spin của điện tử nên có những ưu điểm
như sau:
- Tiêu tốn ít năng lượng do quá trình biến đổi trong các thiết bị spintronics dựa trên
sự đổi chiều của các spin.
- Do tính chất phi từ của các phân tử sinh học nên giảm nhiễu tín hiệu.
- Có độ ổn định cao, phép đo có thể thục hiện được nhiều lần, loại bỏ được tín hiệu
nền khơng mong muốn.
- Tốc độ nhanh vì khơng phải mất thời gian để truyền điện tích. Thời gian đảo các
spin từ trạng thái up sang down ngắn.
3. Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin
Hiệu ứng từ điện trở (MR)
Hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance- MR) là sự thay đổi điện trở của
một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi
William Thomson (Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5%.
Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường. Gần đây, các nhà khoa học
đã phát hiện ra nhiều loại hiệu ứng từ điện trở trong nhiều loại vật liệu khác nhau
đem lại khả năng ứng dụng hết sức to lớn. Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ
trở để nói lên độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức:
MR =

∆ρ ρ (0) − ρ ( H ) R(0) − R( H )
=
=
ρ
ρ (0)
R(0)

Đôi khi, trong một số thiết bị, tỉ số này cũng được định nghĩa bởi:
MR =

∆ρ ρ ( H ) − ρ ( H max ) R( H ) − R( H max )
=
=
ρ
ρ ( H max )
R ( H max )

Với:

ρ(H): Điện trở xuất của vật dẫn khi có từ trường ngồi đặt vào
ρ(0): Điện trở xuất của vật dẫn khi khơng có từ trường ngồi đặt vào
R(H): Điện trở của vật dẫn khi có từ trường ngoài đặt vào
R(0): điện trở của vật dẫn khi khơng có từ trường ngồi đặt vào.
Hmax : là từ trường cực đại
Hai cách định nghĩa này hoàn toàn tương đương nhau.
Trong các vật dẫn khơng có từ tính như kim loại Cu, Au thì hiệu ứng MR xảy ra
do lực Lorentz tác động lên chuyển động của các điện tử. Hiệu ứng này rất nhỏ và
có giá trị âm. Trong các chất sắt từ hiệu ứng MR liên quan đến tán xạ bởi các Spin
bất trật tự. Trạng thái bất trật tự của các spin luôn làm tăng điện trở. Khi đặt từ

trường ngồi vào thì mức độ bất trật tự của các spin giảm, ta sẻ nhận được hiệu
ứng từ điện trở dương nhưng đẳng hướng. Hiệu ứng này rất nhỏ trong các kim loại
chuyển tiếp sắt từ nhưng lại rất lớn trong các vật liệu đất hiếm- kim loại chuyển tiếp
11


có chuyển pha từ giả bền như RCO 2, gốm Perovskites… Trong một vật dẫn kim loại,
dòng điện được mang đi nhờ sự chuyển động của electron. Nếu electron bị khuếch
tán khỏi hướng chính của dịng điện thì dịng điện bị yếu đi, nghĩa là điện trở tăng
lên.
Trong một vật liệu từ thì sự khuếch tán electron bị ảnh hưởng bởi hướng từ hóa
(magnetization). Sự liên quan giữa từ hóa và điện trở trong hiệu ứng GMR được
giải thích nhờ spin của electron. Trong vật liệu từ phần lớn các spin xếp song song
với nhau, theo chiều từ hóa, tuy nhiên cũng có một số spin có chiều đối nghịch với
chiều từ hóa và số electron có spin đối chiều này sẽ khuếch tán mạnh hơn khi gặp
phải các tâm dị thường và tâm bẩn trong vật liệu và đặc biệt tại giao diện các lớp, do
đó dịng điện giảm đi, nghĩa là điện trở tăng lên

Hình 4. Trong vật dẫn từ các spin của phần lớn electron hướng cùng chiều với chiều từ
hóa (các vịng trịn màu đỏ). Một số ít electron (các vịng trịn màu trắng) có spin ngược
chiều với chiều từ hóa sẽ bị khuếch tán nhiều hơn.

a. Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR
Biosensor):
Miller là người đầu tiên giới thiệu phương pháp dị tìm các hạt sử dụng hiệu ứng
AMR vào năm 2002. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR là hiện tượng tăng điện trở
dưới tác dụng của từ trường (hay nói chính xác hơn là dưới tác dụng của cảm ứng
từ B) do lực Lorentz tác dụng lên các hạt tải điện. Về bản chất, hiệu ứng AMR chính
là sự phụ thuộc điện trở vào góc ϕ giữa vector từ độ và chiều dòng điện. Nguyên
nhân xuất hiện hiệu ứng này là do xác suất tán xạ điện tử s-d sẽ khác nhau theo

phương từ trường tác dụng. Hiệu ứng này lớn nhất (đạt giá trị cực đại) khi từ trường
tác dụng song song với chiều dòng điện.

12


Nguyên tắc hoạt động của cảm biến AMR là dựa vào sự tán xạ của điện tử theo
hướng momen từ của vật liệu làm cảm biến. Trong trường hợp này, cảm biến AMR
có cấu trúc là một vịng kim loại sắt từ (NiFe); khi khơng có từ trường ngồi tác
dụng, vector từ độ của vòng là một đường tròn khép kín như hình 4.b), trong trường
hợp này nếu đặt một dịng điện chạy qua cảm biến thì dịng điện có thể chạy qua dễ
dàng, do đó hiệu ứng AMR của vịng sẽ là lớn nhất. Ngược lại, khi có hạt từ với
momen từ vng góc với bề mặt của cảm biến, đặt tại tâm của cảm biến thì từ độ
của vịng sẽ hướng tâm như hình 4.c), vng góc với dòng điện và cản trở sự di
chuyển của các điện tích khi chạy qua vịng cảm biến-lúc này hiệu ứng AMR của
vòng là nhỏ nhất.
Trên các vật liệu sắt từ như Fe, Co, Ni và hợp kim của chúng, hiệu ứng này thường
khá lớn so với vật liệu khơng có từ tính.
Thiết bị này thích hợp trong việc dị tìm các hạt đơn lẻ. Các hạt từ đặt ở trung tâm
của vịng trịn NiFe với bán kính bên trong của vịng trịn phù hợp với bán kính của
hạt. Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo cơng thức:

Trong đó:

13


•

Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện

trở khổng lồ (GMR Biosensor):
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (tiếng Anh: Giant
MagnetoResistance, viết tắt là GMR) là sự thay đổi
lớn (nhảy vọt) của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác
dụng của từ trường ngồi.
Ta có một lớp kim loại khơng có từ tính (lớp 2)
bị ép giữa hai lớp kim loại từ (lớp 1&3) như hình A &
B. Trên hình A hai lớp kim loại từ 1&3 có cùng chiều từ
hóa, lúc này số electron có spin cùng chiều với chiều
từ hóa sẽ đi qua các lớp dễ dàng và như thế điện trở
nhỏ. Nếu ta thay đổi chiều từ hóa đối với lớp kim loại
từ 3 (nằm bên phải cùng) như trong hình B thì các
electron lại có spin ngược chiều với chiều từ hóa trong
lớp cuối cùng bên phải do đó bị khuếch tán nhiều hơn,
dịng điện giảm đi và điều đó có nghĩa điện trở tăng
mạnh lên gây nên hiệu ứng GMR. Vậy hiệu ứng GMR
là hiệu ứng làm cho điện trở trở thành khổng lồ nhờ
tác động của từ trường.

14


Ta có năng lượng từ của mỗi lớp như sau:
Lớp sắt từ 1 tồn tại:
- Năng lượng dị hướng từ tinh thể
- Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài)
Lớp sắt từ 2 tồn tại:
- Năng lượng dị hướng từ tinh thể
- Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài)
Lớp sắt từ 1 và lớp sắt từ 2:

- Năng lượng tương tác trao đổi liên phân mạng (interlayer magnetostatic
coupling)
Cơ chế
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của
3 giả thiết sau:
Vì độ dày của của lớp khơng từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc
xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của điện tử, nên điện tử có khả năng
vượt qua lớp đệm khơng từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính
khác.
Khi di chuyển trong các lớp vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển
tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào định hướng spin
của chúng.
Định hướng tương đối của các vectơ từ độ trong các lớp có thể thay
đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử, gồm có 4 loại
tán xạ sau:
 Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể gọi là tán xạ trên
phonon.
15


Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính, gọi là tán xạ trên magnon.
 Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể.
 Gần đây cịn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các
polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR.
Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên magnon.
Khi có các phần tử mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các màng đa lớp hay các
hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng khác nhau về
mơmen từ (do tác động của từ trường ngồi), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất
tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm

thay đổi điện trở của chất rắn.
Độ lớn của GMR liên quan đến độ
lớn của hiệu ứng tán xạ phụ thuộc
spin, mà đại lượng sau này lại liên
quan đến tương quan quãng
đường tự do trung bình và chiều
dày của lớp kim loại phi từ. Cụ thể
là hai hiệu ứng này sẽ bị triệt tiêu
nếu quãng đường tự do của điện
tử nhỏ hơn chiều dày màng ngăn
cách


Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo cơng thức:

Trong đó:

• Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (TMR
Biosensor):
Hiệu ứng từ điện trở chui hầm hay từ điện trở xuyên hầm, (tiếng Anh: Tunnelling
magnetoresistance, thường viết tắt là TMR) là một hiệu ứng từ điện trở xảy ra trong

16


các màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ được ngăn cách bởi các lớp điện môi. Hiểu
một cách đơn giản hơn hiệu ứng từ điện trở chui hầm là sự thay đổi lớn của điện trở
suất xảy ra ở các tiếp xúc từ chui hầm (là các màng mỏng với các lớp màng mỏng
sắt từ được ngăn cách bởi lớp điện mơi, đóng vai trị lớp rào ngăn cách chuyển
động của điện tử).

Với hệ vật liệu ba lớp bao gồm một lớp vật liệu ơxit vơ định hình a-Ge 2O3 cách điện
nằm xen giữa hai lớp kim loại sắt từ Fe và Co: Fe/a-Ge 2O3/Co. Độ dày của lớp ôxit
thường được chọn để thõa mãn điều kiện cực tiểu cho năng lượng tương tác từ
giữa hai điện cực sắt từ. Trong trường hợp này, hai điện cực sắt từ có cùng trục từ
hóa dễ nhưng có lực kháng từ khác nhau ( µ0 H C (Co) > µ0 H C ( Fe) ). Trạng thái từ độ
phản song song làm tăng điện trở của hệ. Ngược lại trạng thái từ độ song song ở
vùng từ trường nhỏ và từ trường lớn làm giảm điện trở của hệ.
Cấu trúc chuẩn của cảm biến TMR bao gồm 3 lớp vật liệu (lớp sắt từ/lớp điện
môi/lớp sắt từ). Hoạt động tương tự như cảm biến GMR, khi chưa có từ trường
ngồi, vecotr từ độ của 2 lớp sắt từ ban đầu là phản song với nhau nên điện tử ít bị
tán xạ và có thể xuyên qua các lớp của cảm biến, tạo ra tín hiệu điện .

Đối
với
các
tiếp
xúc
từ
chui
hầm
có
2
lớp
sắt
từ
kẹp
giữa
bởi
một
lớp điện mơi, tỉ số từ điện trở (trong trường hợp này sử dụng là TMR) phụ thuộc vào

độ phân cực spin của 2 lớp (P1, P2), và được cho bởi công thức: TMR =

P1 P2
1 − P1 P

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm:
Độ hoàn hảo của tiếp xúc xuyên hầm.
Nhiệt độ
Hiệu điện thế

17


-

Chiều cao rào thế và tính chất chuyển cục bộ.
Spin kép

Hình 17: Lớp tiếp xúc từ chui hầm

Hình 6: Cơ chế tạo hiệu ứng từ điện trở chui hầm
trong các tiếp xúc từ chui hầm

Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm
biến được xác định theo cơng thức:

Trong đó:

Trong cảm biến cấu trúc xuyên ngầm, dòng chạy qua cảm biến được giới hạn bởi
thế đánh thủng. Chỗ tiếp xúc phải được tối ưu hóa sao cho R*A là thấp nhất và duy

trì được tỉ số từ trở xuyên ngầm cao trong khi mức độ nhiễu là thấp nhất.

18


•

Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall
Biosensor):

Dựa vào sự tán xạ của điện từ theo phương từ độ của lớp sắt từ. Khi cho dòng điện
I chạy qua cảm biến theo hướng x, điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo
ra điện trường E theo hướng của từ độ M. Điện trường E này tạo ra hiệu điện thế V
theo hướng y vng góc với dịng điện (Hình 7,8).

Với mơ hình này, từ độ của lớp NiFe ở trạng thái tĩnh phải nằm dọc theo hướng của
dòng điện. Trở kháng thay đổi
khoảng 2-3% với lớp NiFE dày 20-30nm.
Đường cong đáp ứng được biểu diễn ở Hình 8.
Trong vùng từ trường nhỏ, sensor làm việc trong vùng tuyến tính. Chỉ cần một từ
trường nhỏ ta dễ dàng nhận được giá trị lớn nhất của hiệu điện thế. Do vậy, ta có
thể chọn vùng làm việc của cảm biến là đoạn tuyến tính của đường đặc trưng từđiện trở và thơng qua tín hiệu đầu ra ta có thể tính tốn định lượng được số lượng
các hạt.
Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo công thức:

Trong đó:

19

•

Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng van-spin (Spin-valve Biosensor):

Cấu trúc chuẩn của cảm biến van-spin bao gồm 4 lớp vật liệu (lớp phản sắt từ/lớp
sắt từ bị ghim/lớp phi từ/lớp sắt từ tự do). Hai lớp sắt từ được ngăn cách nhau bởi
một lớp kim loại không từ, trong đó 1 lớp sắt từ tự do, q lớp được ghim bằng tương
tác trao đổi với 1 lớp vật liệu phản sắt từ. Khi chưa có từ trường ngồi tác dụng, từ
độ của lớp sắt từ tự do ngược chiều với từ độ của lớp sắt từ bị ghim, do đó điện tử
khơng di chuyển qua các lớp của cảm biến được, vì vậy điện trở của cảm biến là
lớn Khi có từ trường ngồi (của hạt từ), momen từ của lớp sắt từ tự do sẽ quay theo
hướng từ trường ngoài, làm cho từ độ của lớp sắt từ tự do và từ độ của lớp sắt từ bị
ghim định hướng song song với nhau, do đó các điện tử có thể truyền qua các lớp
của cảm biến và điện trở của cảm biến giảm.

Ta có năng lượng từ của mỗi lớp như sau:
Lớp sắt từ tự do tồn tại:
- Năng lượng dị hướng từ tinh thể
- Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngồi)
Lớp sắt từ bị ghim:
- Năng lượng dị hướng từ tinh thể
- Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngồi)
Lớp sắt từ và lớp sắt từ bị ghim:
- Năng lượng tương tác trao đổi liên phân mạng (interlayer magnetostatic coupling)
Lớp sắt từ bị ghim và lớp phản sắt từ:
- Năng lượng tương tác trao đổi (exchange bias)
Trong trạng thái tĩnh, từ độ của lớp ghim nằm theo chiều ngang, được ghim bởi liên
kết trao đổi giữa lớp ghim với lớp phản sắt từ, còn từ độ của lớp tự do hướng theo
chiều dọc. Sự định hướng theo chiều dọc của lớp tự do và trạng thái đơn domain là
do dị hướng hình dạng.

Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo công thức:

20


Trong đó:

21


Tham khảo:
-

Novel Planar Hall Sensor for Biomedical Diagnosing Lab-on-a-Chip - By
Tran Quang Hung, Dong Young Kim, B. Parvatheeswara Rao and CheolGi
Kim

22