Cảm biến sinh học dựa trên kỹ thuật điện tử Spin

Cảm biến sinh học dựa trên kỹ thuật điện tử SpinNhóm thực hiện:Bùi Duy Khánh 1119494Nguyễn Thị Thu 1119526Giới thiệu Ý tưởng tích hợp việc nhận biết có tính chọn lọc và mô tả định lượng các loại phân tử sinh học thành một thiết bị cầm tay dễ sử dụng, có thể cho kết quả ngay lập tức tại vị trí cần phân tích  một hệ thống dạng lab-on-chip có tên “biosensor” được đưa ra - 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 môi trường Cùng với 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,...NỘI DUNG TỔNG QUÁT:Các khái niệm:Khái niệm cảm biến sinh họcĐịnh nghĩa công nghệ spintronicsCảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spinNguyên lý hoạt độngƯu điểmNhững kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spincảm biến từ điện trở dị hướng (AMR)cảm biến từ điện trở khổng lồ (GMR)cảm biến spin-valvecảm biến điện trở Hall mặt phẳng (PHR)cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR)1. Giới thiệu 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 hoá chất . Theo IUPAC thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông 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”. Cấu tạo chung của cảm biến sinh họcĐầu thu sinh họcĐầu 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.Phân loại:Đầu thu làm từ enzyme.Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên.Đầu thu làm từ protein.Đầu thu làm từ các axit nucleic.Đầu thu kết hợp.Đầu thu làm từ tế bàoTác nhân cố định có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đếlà bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phần vô cơ. Bộ phận chuyển đổi Chuyển đổi điện hoá: dựa trên điện thế, dòng điện và độ dẫn điệnChuyển đổi quang: dựa trên các hiệu ứng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang và lân quang; bio-luminiscence; chemi–luminiscence..Chuyển đổi nhiệt: dựa trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong các phản ứng của enzymeChuyển đổi bằng tinh thể áp điện: dựa trên nguyên lý tinh thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổiChuyển đổi bằng các hệ vi cơ. Mô hình cấu tạo của 1 cảm biến từ:2. Công nghệ SpintronicsThế hệ thứ nhất: 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 môi..., vd: các cảm biến, đầu đọc từ điện trở trong các đĩa cứng, MRAM, transitor kim loại, transitor valse spin, công tắc/khoá đóng mở spin, ...Thế hệ thứ hai: các linh kiện dựa trên việc tiêm hoặc bơm dòng phân cực spin qua tiếp xúc dị thể bán dẫn- sắt từ hay bán dẫn từ- bán dẫn. Vd: các mạch khoá siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,...Thế hệ thứ ba: 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), ... II. Cảm biến sinh học theo công nghệ điện tử spinBiochip?Thông thường biochip là một miếng nhỏ hình vuông bằng thuỷ tinh hay nhựa hoặc silicon trên đó có gắn các thụ thểbiochip có thể chứa từ hàng triệu đến hàng chục triệu yếu tố cảm biến (cảm ứng sinh học)biochip sử dụng công nghệ spinCác đối tượng dò tìm được nhỏ lên trên bề mặt Các phân tử sinh học có thể được gắn hạt từ tính trước hoặc sau bước lai hóa Các hạt từ thường là siêu thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư, kích thước nano hoặc mircro, có khả năng gắn kết với các phân tử sinh học.từ trường  các hạt từ bị từ hóa, từ độ tổng hợp xuất hiện  thay đổi điện trở của cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử  nhận biết được các phân tử sinh học cần phân tích.- 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 không mong muốn.- Tốc độ nhanh vì không phải mất thời gian để truyền điện tích. Thời gian đảo các spin từ trạng thái up sang down ngắn. Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin:III. Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR Biosensor) Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR là hiện tượng tăng điện trở dưới tác dụng của từ trường (tác dụng của cảm ứng từ B) do lực Lorentz tác dụng lên các hạt tải điện.Nguyên tắc hoạt động AMR Biosensor dựa vào sự tán xạcủa điện tử theo hướng momen từ của vật liệucảm biến AMR có cấu trúc là một vòng kim loại sắt từ (NiFe) khi không có từ trường ngoài tác dụng, vector từ độ là một đường tròn khép kín (hình 4.b), dòng điện dễ dàng chạy qua cảm biến  hiệu ứng AMR của vòng sẽ là lớn nhất.khi có hạt từ với momen từ vuông góc với bề mặt của cảm biến tại tâm của cảm biến  từ độ của vòng sẽ hướng tâm (hình 4.c), vuông góc với dòng điện, cản trở sự di chuyển của các điện tích chạy qua vòng cảm biến  hiệu ứng AMR của vòng là nhỏ nhất.Thiết bị này thích hợp trong việc dò tìm các hạt đơn lẻCảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR Biosensor)Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là sự thay đổi lớn (nhảy vọt) của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài.hình A hai lớp kim loại từ 1&3 có cùng chiều từ hóasố electron có spin cùng chiều với chiều từ hóa  đi qua các lớp dễ dàng và  điện trở nhỏ. thay đổi chiều từ hóa đối lớp từ 3 (hình B)  các electron có spin ngược chiều với chiều từ hóa  bị khuếch tán nhiều hơn, dòng điện giảm đi  điện trở tăng mạnh lên gây nên hiệu ứng GMR3) 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.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 liệukhông có từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ tự do ngược chiều với từ độ của lớp sắt từ bị ghi  điện tử không thể di chuyển qua các lớp của cảm biến  điện trở của cảm biến lớn Khi có từ trường ngoài, momen từ của lớp sắt từ tự do sẽ quay theo hướng từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ tự do và từ độ của lớp sắt từ bị ghim định hướng song song với nhau các điện tử có thể truyền qua các lớp của cảm biến, điện trở của cảm biến giảm.Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (TMR Biosensor)là một hiệu ứng từ điện trở xảy ra trong các màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ được ngăn cách bởi các lớp điện môi. 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 môi, đóng vai trò lớp rào ngăn cách chuyển động của điện tử).Cấu trúc chuẩn của cảm biến TMR gồm 3 lớp vật liệu (lớp sắt từ/lớp điện môi/lớp sắt từ). Hoạt động tương tự cảm biến GMR: khi chưa có từ trường ngoài, 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 điệnỨng dụngPhát hiện nhiều bệnh chỉ trong một giọt máu Ban đầu, ADN sẽ được trích ra từ máu của bệnh nhân. Tiếp đó, biochip A sẽ được sử dụng để lập bản đồ gen của bệnh nhân. Các nhà khoa học thuộc Viện công nghệ California (Caltech) và Viện Sinh học hệ thống (Mỹ) đã cho ra sản phẩm đặc biệt được gọi là con chip tổng hợp xác định mã vạch của máu (Intergrated Blood- Barcode Chip - IBBC). Chip được làm bằng thuỷ tinh, kích thước rất nhỏ, hoạt động theo cùng một nguyên tắc với những con biochip khác. Từ kết quả này, các bác sĩ chuyên khoa sẽ có thể khẳng định đồng thời nhiều loại bệnh đã xuất hiện hoặc chẩn đoán một số bệnh khác đang tiềm ẩn để điều trị sớm Thuốc điều trị sẽ được kê đơn đúng người, đúng bệnh hơn:  Khi sử dụng công nghệ biochip phân tích ADN của bệnh nhân, phần mềm máy tính sẽ quét bộ gen tìm sự đa hình hay dị biệt trong các thông tin di truyền của bệnh nhân đó. Dựa vào những thông tin tìm được, các bác sĩ sẽ so sánh với các nghiên cứu y dược mới nhất để kê đơn thuốc cho bệnh nhân dựa trên những đặc tính gen của người đó. Thay vì áp dụng một phác đồ điều trị cho tất cả những ai mắc cùng một căn bệnh, các bác sĩ sẽ dựa vào đặc tính bộ mã gen di truyền của từng người để đưa ra các liệu pháp chữa trị cụ thể cho mỗi cá nhân, từ đó giúp nâng cao kết quả điều trị.The end !