Chế tạo sợi Silic ứng dụng trong việc phát hiện chất chỉ thị sinh học để chẩn đoán ung thư gan

PHẠM MINH KHANG CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO 2 PHẠM MINH KHANG CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TỐNG DUY HIỂN Thành phố Hồ Chí Minh - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan nội dung đề tài này do chúng tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện. Kết quả trình bày trung thực chính xác. Đề tài này chƣa đƣợc công bố trên bất kỳ phƣơng tiện nào. Kết quả thực nghiệm đo tác giả và nhóm nghiên cứu thực hiện. Mọi bảng biểu, đồ thị, hình ảnh do có đƣợc do chúng tôi xử lý kết quả thí nghiệm mà có. Xin cam đoan mọi thông tin là đúng sự thật, nếu có bất kỳ vấn đề gì tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm. Tp. HCM, ngày 1 tháng 1 năm 2014 Học viên cao học Cán bộ hƣớng dẫn Phạm Minh Khang TS. Tống Duy Hiển 4 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin đƣợc gửi tới TS. Tống Duy Hiển lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất. Thầy là ngƣời đã trực tiếp giao đề tài và tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phạm Văn Bình, anh đã đồng hƣớng dẫn, đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn đề tài KC04 đã cấp kinh phí để tôi có thể thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn giáo viên phản biện đã dành thời gian đọc, góp ý và đánh giá cho đề tài. Xin cảm ơn các thầy cô Trƣờng ĐH Công Nghệ ĐHQGHN và thầy Đặng Mậu Chiến đã hợp tác mở chuyên ngành mà tôi đang theo học này tại Tp HCM. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phan Thanh Nhật Khoa, bạn Phạm Xuân Thanh Tùng, bạn Nguyễn Thị Ngọc Nhiên, các anh chị và các bạn thuộc Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (LNT) đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô đã giảng dạy trong quá trình suốt khóa học. Và đặc biệt gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Thị Mỹ Lê - phòng đào tạo của LNT đã hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian khóa học diễn ra. Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn ở LNT đã tạo điều kiện để tôi học tập, nghiên cứu hoàn thành tốt bản luận văn. Xin cảm ơn tất cả bạn bè anh em gần xa, đặc biệt anh Bùi Hà Quốc Thắng đã động viên và giúp tôi nhiều trong phần tài liệu, kiến thức, xử lý số liệu. Cuối cùng tôi xin đƣợc cảm ơn những ngƣời thân yêu trong gia đình, đã luôn động viên, cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. 5 MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ ....................................................................... Error! Bookmark not defined. LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................3 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................4 MỤC LỤC ............................................................................................................................................5 DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................................7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .....................................................................................................7 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... 10 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 11 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................................................. 14 1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học .............................................................................................. 14 1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học ........................................................................................... 14 1.1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học ......................................................................... 14 1.1.3 Phân loại cảm biến sinh học ............................................................................................. 15 1.1.4. Ứng dụng và thị trƣờng cảm biến sinh học ..................................................................... 16 1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan .......................................... 17 1.2.1. Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan .................................................................... 17 1.2.2. Các phƣơng pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan .......................................................... 18 1.2.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến .................................................................................. 19 1.3 Phƣơng pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic ..................................................... 22 1.3.1 Phƣơng pháp Top down ................................................................................................... 22 1.3.2 Phƣơng pháp Bottom up ................................................................................................... 26 CHƢƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO ................................................. 28 2.1 Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic .............................................. 28 2.1.1 Nguyên vật liệu ................................................................................................................ 28 2.1.2 Qui trình chế tạo ............................................................................................................... 29 2.2 Phƣơng pháp chức năng hóa bề mặt ........................................................................................ 46 2.2.1 Vật liệu, hóa chất cần thiết ............................................................................................... 47 6 2.2.2 Qui trình chức năng hóa bề mặt sợi Si ............................................................................. 48 2.2.3 Cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng .................................................................................. 52 CHƢƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƢỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC .......... 55 3.1 Tính chất hình thái sợi Si tạo thành ......................................................................................... 55 3.2 Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si ................................................................ 57 3.2.1 Đặc trƣng I – V ................................................................................................................. 58 3.2.2 Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias ...................................................................... 59 3.3 Đánh giá hiệu quả cố định thụ thể gắn huỳnh quang trên bề mặt wafer silic .......................... 62 CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƢ GAN ....................................................................... 68 4.1 Chuẩn bị AFP .......................................................................................................................... 68 4.2 Chuẩn bị hệ đo......................................................................................................................... 68 4.3 Tiến hành đo đạc, kiểm tra ...................................................................................................... 69 KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................................ 74 I. Kết luận ...................................................................................................................................... 74 II. Cách khắc phục hạn chế và hƣớng phát triển của đề tài ........................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 77 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các biomarker và các receptor tƣơng ứng của ung thƣ gan ......................... 19 Bảng 2.1: Thông số thiết dặt của máy quay li tâm Spinner 6RC .................................. 32 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học .............................................. 14 Hình 1.2: (a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transitor hiệu ứng trường sợi Silic. Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn sợi Silic kích thước nanomet. Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực cổng ở đế Silic. (b) Sự thay đổi tính cường độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P khi có các phần tử bị bắt lại trên sợi. Dòng điện giảm khi đối tượng mang điện tích dương, cùng dấu với điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm. Trong khi đối tượng mang điện tích âm bị bắt thì làm dòng điện tăng lên ................................... 20 Hình 1.3: Chíp Si NW FET gồm nhiều sợi Si đặt song song nhau, mỗi sợi được gắn một phần tử khác nhau nhằm phát hiện những đối tượng khác nhau, nên cảm biên có thể đo đồng thời nhiều thông số khác nhau ................................................................... 21 Hình 1.4: Độ dài sợi silic và độ rộng của vùng chứa sợi và chất làm thụ động hóa bề mặt là những thông số cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET ...................................... 22 Hình 1.5: Ba quá trình của cơ chế ăn mòn là quá trình khuếch tán, quá trình ăn mòn, và quá trình thải sản phẩm của quá trình ăn mòn ra ngoài. ......................................... 23 Hình 1.6: Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hướng, b- dị hướng, c- siêu dị hướng ............... 24 Hình 2.1: Cấu tạo của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Si ........ 28 Hình 2.2: Sơ đồ khối các bước chế tạo FET sợi Si, chỉ sử dụng các kĩ thuật cở bản của công nghệ micro. Phần lớn các bước được thực hiện tại PTN CNNN. Tuy nhiên bước pha tạp Bo vẫn còn phải thực hiện trên thiết bị của đối tác nước ngoài (Viện MESA+, Hà Lan). ......................................................................................................................... 30 Hình 2.3: Máy quay li tâm ............................................................................................. 32 Hình 2.4: Thiết bị nung nhiệt ........................................................................................ 33 Hình 2.5: Sơ đồ khối các bước làm giảm bề dày lớp Si bề mặt .................................... 34 Hình 2.6: Cơ cấu một lò oxi hóa nhiệt .......................................................................... 35 8 Hình 2.7: Thiết bị oxi hóa PEO 601 của PTN CNNN được sử dụng để oxi hóa đế SOI, làm mỏng lớp Si từ 1000 nm về 100 nm, thích hợp cho việc chế tạo cảm biến sợi nano Si. ................................................................................................................................... 35 Hình 2.8: Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa của thiết bị oxi hóa PEO 601. ................... 35 Hình 2.9: Máy Ellipsometer sử dụng để đo độ dày màng mỏng SiO2 tạo ra trên đế SOI. ................................................................................................................................ 36 Hình 2.10: Kết quả đo bề dày lớp SiO2 tạo thành sau khi oxi hóa lần một bằng máy Ellipsometer ................................................................................................................... 36 Hình 2.11: Pha tạp Bo vùng điện cực ........................................................................... 38 Hình 2.12: Các bước tạo sợi Si ..................................................................................... 39 Hình 2.13: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có một sợi Si. Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ..... 40 Hình 2.14: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có ba sợi Si. Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ........... 40 Hình 2.15: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có 4 sợi Si. Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ........... 41 Hình 2.16: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến, trên đó có 3 vùng chứa sợi. Mỗi vùng có 3 sợi, 4 sợi và 5 sợi. Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um .......................................................... 41 Hình 2.17: Các bước tạo backgate từ phía trên của wafer. .......................................... 42 Hình 2.18: Hệ phún xạ UNIVEX 350 tại PTN CNNN được sử dụng để chế tạo điện cực cho các đơn sợi Si. ......................................................................................................... 43 Hình 2.19: Các bước thực hiện đểchế tạo điện cực điện Pt/Ti cho các sợi Si. Tiếp theo là tạo lớp cách điện SiO2 cho các điện cực này. Với cấu trúc này, chỉ phần sợi Si là tiếp xúc với dung dịch trong các bước đo đạc sau này còn lại toàn bộ bề mặt của chip được phủ bởi lớp cách điện SiO2 ................................................................................... 45 Hình 2.20: Wafer trong đó có chứa các chip sợi Si sau khi kết thúc qui trình chế tạo. 46 Hình 2.21: Sơ đồ khối các bước chức năng hóa bề mặt chip sợi Silic .......................... 48 Hình 2.22: Cơ chế hình thành lớp SAM trên bề mặt Si-OH .......................................... 49 Hình 2.23: Linker 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) ................................... 50 Hình 2.24: Qui trình chức năng hóa bề mặt trên bề mặt Si có phủ lớp Si tự nhiên ...... 50 Hình 2.25: Chip sau khi làm sạch được gắn một vòng epoxy bao quanh vùng làm việc.54 9 Hình 3.1: Kênh dẫn 1 sợi Si của chip loại 10x15mm .................................................... 55 Hình 3.2: Kênh dẫn 4 sợi Si của chip loại 10x15mm .................................................... 55 Hình 3.3: Hình ảnh SEM (scanning electron microscopy) mô tả tổng thể cấu trúc của một chip loại 10x10mm bao gồm các sợi Si có độ dài 14 µm, đường dẫn và vùng cửa sổ (sensing area). ........................................................................................................... 56 Hình 3.4: Hình ảnh SEM của một chip chứa kênh dẫn gồm 5 sợi Si. ........................... 56 Hình 3.5: Hệ thiết bị khảo sát tính chất điện Agilent – Probe Station (a); Thiết bị khảo sát tính chất điện (b) và đế giữ chíp (c). ........................................................................ 57 Hình 3.6: Đặc trưng I-V cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là một sợi Si khi không có điện thế biasing (Vg= 0). Đặc trưng tuyến tính thu được thể hiện tiếp xúc Ohmic giữa sợi Si và đường dẫn kim loại Pt/Ti. ............................................................................... 58 Hình 3.7: Đặc trưng I-V cảm biến Si NW FET với kênh dẫn là bốn sợi Si khi không có điện thế biasing (Vg= 0). ............................................................................................... 59 Hình 3.8: Sơ đồ khối mô tả cách kết nối các điện áp, thông số để đo ảnh hưởng của điện thế Bias đến tính chất điện của sợi Si. ................................................................... 60 Hình 3.9: Đặc trưng tính chất điện của 1 sợi Si với các điện thế bias khác nhau. Các điện thế bias được thay đổi từ -4V đến 4V với bước nhảy 1V và VDS thay đổi từ -2V đến 2V. .................................................................................................................................. 61 Hình 3.10: Đặc trưng tính chất điện của sợi Si với các điện thế bias khác nhau Cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là loại chứa 4 sợi Si. Các điện thế bias được thay đổi từ - 4V đến 4V với bước nhảy 1V và VDS thay đổi từ -2V đến 2V. ....................................... 61 Hình 3.11: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b) gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ trước khi đánh siêu âm. ................................................................................................................. 63 Hình 3.12: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b) gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ sau khi đánh siêu âm trong 3 phút. ............................................................................................ 64 Hình 3.13: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ (a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút trước khi đánh siêu âm. ................................................................................................................. 64 10 Hình 3.14: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ (a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút sau khi đánh siêu âm trong 3 phút. ............................................................................................ 65 Hình 3.15: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1 giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ trước khi đánh siêu âm.65 Hình 3.16: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1 giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ sau khi đánh siêu âm trong 3 phút. .................................................................................................................. 66 Hình 3.17: Thụ thể F-LCA bám trên thành giếng epoxy ............................................... 67 Hình 3.18: Thụ thể F-LCA có xuất hiện trong vùng làm việc của chip. ....................... 67 Hình 4.1: Hệ giữ chíp và hổ trợ đo phát hiện các chất chỉ thị sinh học ....................... 69 Hình 4.2: Đặc trưng I-V của sợi Si với các giá trị khác nhau của VBG ......................... 70 Hình 4.3: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 500 ng/ml ...... 71 Hình 4.4: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 100 ng/ml ...... 72 Hình 4.5: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và trong dung dịch AFP ở nồng độ 100 ng/ml. .................................................................. 73 Hình 4.6: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và trong dung dịch AFP ở nồng độ 500 ng/ml. .................................................................. 73 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT HCC : Hepatocellular carcinoma SOI : Semiconductor on insulator DI : De-ion (khử ion) Si NW FET : Silicon Nanowire Field Effect Transistor SAM : Self assembled monolayer SEM : Scanning electron microscopy GPTS : 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane AFP : Alpha fetoprotein F-LCA : Fluorescein-Lens culinaris agglutinin PBS : Phosphate buffered saline 11 MỞ ĐẦU Cảm biến sinh học là một lĩnh vực đã đƣợc nghiên cứu từ lâu và hiện vẫn đang thu hút đƣợc nhiều nguồn lực và ngân sách. Mục đích của mọi hệ cảm biến sinh học đều nhằm phát hiện đƣợc một đối tƣợng sinh học cần phân tích nào đó. Quá trình cảm biến dựa trên một sự gắn kết đặc biệt hoặc phản ứng của chất cần phân tích với một phần tử nhận diện đã đƣợc biết trƣớc. Trong các phƣơng pháp phân tích không phá