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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2013

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT . 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . 11
MỞ ĐẦU . 17
CHƯƠNG I. CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG
TRƯỜNG 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 Phương pháp chế tạo ống nano carbon . 29
I.4 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC MOS
(MOSFET) 30
I.5 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG 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 trường ống nano carbon cực cổng dưới . 35
I.5.2.2 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực cổng trên 37
I.6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ADN . 38
I.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH ADN LÊN BỀ MẶT ỐNG NANO CARBON
CHO CẢM BIẾN SINH HỌC. . 40
I.7.1 Phương pháp hấp phụ vật lý . 41
I.7.2 Phương 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

CHƯƠNG II. 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 . 49
II.1 GIỚI THIỆU . 49
II.1.1 Các phương pháp biến tính CNTs . 49
II.1.2 Các phương pháp phân tán ống nanno carbon (CNTs) . 51
II.2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG 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 Phương pháp biến tính ống nano carbon (CNTs) . 55
II.2.2.3 Phương 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 Phương 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 hưởng đến quá trình phân tán của CNTs trong dung dịch DMF 63
II.3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm đến quá trình phân tán CNTs . 65
II.3.2.2 Ảnh hưởng 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
II.3.3.2 Đặc trưng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon 70
II.3.4 Đặc trưng đáp ứng ra của cảm biến . 72
II.3.4.1 Thời gian đáp ứng của cảm biến 72
II.3.4.2 Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến . 73
II.4 KẾT LUẬN 74
CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANSISTOR HIỆU ỨNG
TRƯỜNG 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 dưới 76
III.2.2 Thiết kế mặt nạ (MASK) cho CNTFETs . 77
III.2.3 Thiết kế bản mạch in cho CNTFETs cực cổng dưới . 80
III.3 CHẾ TẠO CNTFETs CỰC CỔNG DƯỚI . 81
III.3.1 Vật liệu hoá chất . 81
III.3.2 Qui trình chế tạo CNTFETs cực cổng dưới . 81
III.4 HÀN DÂY VÀ ĐÓNG GÓI . 93
III.4.1 Hàn dây 93
III.4.2 Đóng gói CNTFETs cực cổng dưới . 94
III.5 XÂY DỰNG HỆ ĐO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TÍNH CNTFETs . 95
III.5.1 Hệ đo 95
III.5.2 Phương 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 Đường đặc tuyến ra ID –VDS của CNTFETs 99
III.6.4 Đặc tuyến truyền đạt ID –VGS của CNTFETs . 100
III.6.5 Các thông số của CNTFETs . 101
III.6.6 Ảnh hưởng của trễ điện đến tín hiệu ra của CNTFETs 105
7
III.6.7 Ảnh hưởng của chiều dài kênh đến các đặc trưng của CNTFETs . 107
III.7 KẾT LUẬN . 108
CHƯƠNG IV. PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ
TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) ĐỂ
PHÁT HIỆN LAI HÓA ADN CỦA VI KHUẨN E.COLI . 109
IV.I GIỚI THIỆU 109
IV.2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 110
IV.2.1 Vật liệu hoá chất 110
IV.2.2 Thông tin về cảm biến 110
IV.2.3 Phương pháp thực nghiệm . 111
IV.2.3.1. Xử lý bề mặt cảm biến trước khi cố định ADN . 111
IV.2.3.2 Phương pháp cố định ADN . 111
IV.2.4 Đo đặc trưng nhạy của cảm biến 114
IV.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 115
IV.3.1 Đặc trưng 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 trưng phổ hồng ngoại FTIR . 116
IV.3.1.3 Đặc trưng ảnh hiển vi huỳnh quang 118
IV.3.1.4 Đặc trưng phổ Raman . 119
IV.3.2 Đặc trưng đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs 120
IV.3.2.1 Đặc trưng tín hiệu cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli . 120
IV.3.2.2 Đặc trưng 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 hưởng của quá trình cố định ADN dò đến tín hiệu ra của cảm
biến sinh học CNTFETs 126
IV.3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ ADN dò . 126
IV.3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian cố định ADN dò . 128
8
IV.3.3.3 Ảnh hưởng của giá trị pH . 129
IV.3.4 Độ ổn định của cảm biến sinh học CNTFETs .130
IV.3.4.1 Ảnh hưởng của phủ màng BSA 130
IV.3.4.2 Ảnh hưởng 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

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 như: viêm đường hô hấp cấp tính (SARS),
cúm A/H5N1, 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 phương pháp phát hiện vi rút, vi khuẩn gây
bệnh như: phương pháp phản ứng chuỗi polyme PCR (Polymerase Chain
Reaction) [27, 42, 132], phương pháp ELISA (Enzyme Linked ImmunoSorbent
Assay) [61], phương pháp nuôi cấy tế bào [5]. Phương pháp PCR là một phương
pháp đã được sử dụng thường xuyên trong y sinh học và công nghệ thực phẩm.
Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là dựa vào sự thay đổi nhiệt độ bắt cặp của
chuỗi ADN để xác định lai hóa. Phương pháp ELISA là phương 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 được sử dụng để đo mức độ phản ứng
thông qua quá trình đo mức độ hấp phụ ánh sáng đơn sắc của dịch màu. Phương
pháp nuôi cấy tế bào có kết quả thu được trong vòng từ 2 ngày đến 10 ngày. Những
phương pháp này thường có độ nhạy cao, có thể phát hiện ADN ngay ở khối lượng
rất nhỏ, rất đặc hiệu, kết quả phân tích định lượng. Tuy nhiên, tất cả các phương
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, người thao tác phải được đào
tạo chuyên nghiệp và xét nghiệm phải được thực hiện tại các phòng thí nghiệm chẩn
đoán đạt tiêu chuẩn an toàn sinh học, không kiểm tra được ngoài thực địa, dẫn đến
những hạn chế trong ứng dụng. Một phương pháp khác có thể bổ sung cho các
phương 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 thước nhỏ gọn người 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 được. Hoạt động của cảm biến dựa trên
sự tương tác của các thành phần sinh học được 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 được nhận biết bằng bộ
chuyển đổi tín hiệu điện và được 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 trường đã có những thành công trên
một số đối tượng vi khuẩn thường gặp ví dụ như: 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 như 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 hướng nghiên cứu cảm biến sinh học nói
chung và cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano
cacbon là hướng mới rất quan trọng và cần thiết, mới được tiếp cận ở nước ta trong
thời gian gần đây. Một vài công trình nghiên cứu của nhóm Biosensor tại Viện
ITIMS trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã triển khai các nghiên cứu như: Chế tạo
cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng nhạy ion (ISFET) phát hiện thuốc
trừ sâu trong nước [105], cảm biến ADN trên cơ sở vi điện cực để phát hiện vi rút
H5N1 [6], phát hiện biến đổi gen của đậu tương [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 trường (FET) sử
dụng ống nano carbon” đã được đề xuất cho luận án tiến sĩ. Đây là nghiên cứu đầu
tiên ở Việt Nam về sự kết hợp ống nano carbon với thành phần sinh học để chế tạo
transistor hiệu ứng trường ống nano carbon (CNTFETs) như một cảm biến sinh học.
Đề tài được thực hiện với 02 mục tiêu chính: (1) nghiên cứu chế tạo transistor hiệu
ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon; (2) ứng dụng của transistor hiệu
ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon trong cảm biến sinh học để phát
hiện vi khuẩn E.Coli. Đối tượng nghiên cứu gồm: Công nghệ biến tính và phân tán
ống nano carbon, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon,
19
cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon. Nội dung
nghiên cứu được chia thành ba phần: (1) nghiên cứu công nghệ biến tính và phân
tán ống nano carbon định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học và trong chế tạo
CNTFETs; (2) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở
ống nano carbon; (3) phát triển cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng
trường ống nano carbon để phát hiện vi khuẩn E.Coli. Đề tài được thực hiện tại
Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội và Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương và một số cơ sở khác có liên quan. Thành
công của đề tài sẽ mở ra một hướng 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 người sử dụng.
Kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm được trình bày trong 4 chương
của luận án:
Chương 1: Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano
carbon (CNTFETs)
Chương 1 trình bày tổng quan những kiến thức cơ bản liên quan đến cảm biến
sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon như: cấu tạo, nguyên
lý hoạt động, công nghệ chế tạo của transistor hiệu ứng trường ống nano carbon, các
phương pháp cố định ADN lên bề mặt ống nano carbon. Một số khái niệm cơ bản
cũng được đề cập như: vật liệu ống nano carbon, vi khuẩn E.Coli, các khái niệm về
ADN. Chương 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 trường ống nano carbon thích hợp với yêu cầu đặt ra, phù hợp với điều kiện
công nghệ hiện có ở trong nước.
Chương 2: Nghiên cứu công nghệ biến tính và phân tán ống nano carbon định
hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học và chế tạo CNTFETs
Chương 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 trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon từ đó có
thể mở ra các ứng dụng trong cảm biến sinh học.
Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở
ống nano carbon (CNTFETs)