iii MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỒNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SiNW FET 1
1.1 ĐẠI CƢƠNG VỀ CTC TRONG UNG THƢ VÚ 1
1.1.1 Khái niệm về CTC. 1
1.1.2 Lịch sử nghiên cứu CTC: 1
1.1.3 Các phƣơng pháp phát hiện CTC 2
1.1.4 Ý nghĩa lâm sàng của CTC 6
1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN SINH HỌC SiNW FET 8
1.3 PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO SiNW FET 10
1.3.1 Chế tạo sợi nano Silic bằng phƣơng pháp Top Down (TD) 10
1.3.2 Chế tạo sợi nano bằng phƣơng pháp Bottom Up (BU) 15
1.4 ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SiNW FET 16
CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO CẢM BIẾN SiNW FET 17
2.1 CHẾ TẠO SiNW FET 17
2.1.1 Wafer: 21
2.1.2 Oxy hóa tạo màng SiO
2
21
2.1.3 Tạo màng Si
3
N
4
21
2.1.4 Quang khắc (photolithography) 22
2.1.5 Ăn mòn khô lớp Si
3
N
4

4.2 CHUẨN BỊ HỆ ĐO 42
4.3 KẾT QUẢ ĐO PHÁT HIỆN TBUTV TRONG DUNG DỊCH ĐỆM 44
4.4 NGHIÊN CỨU, SOI TẾ BÀO BẰNG KÍNH HIỂN VI HUỲNH QUANG 47
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 50 v DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1.(a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transistor hiệu ứng
trƣờng sợi Silic. Hai điện cực nguồn và máng đƣợc nối với nhau qua kênh dẫn sợi Silic
kích thƣớc nanomét. Độ dẫn qua sợi đƣợc điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực cổng ở
đế Silic. (b) Sự thay đổi tính cƣờng độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P khi có các phần
tử bị bắt lại trên sợi. Dòng điện giảm khi đối tƣợng mang điện tích dƣơng, cùng dấu với
điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm. Trong khi đối tƣợng mang
điện tích âm bị bắt làm dòng điện tăng lên 8
Hình 1-2. Chíp SiNW FET gồm nhiều sợi Si đặt song song nhau, mỗi sợi đƣợc gắng một
phần tử khác nhau nhằm phát hiện những đối tƣợng khác nhau, nên cảm biên có thể đo
đồng thời nhiều thông số khác nhau 9
Hình 1-3. 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 SiNW FET 10
Hình 1-4. 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. 11
Hình 1-5. Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hƣớng, b- dị hƣớng, c- siêu dị hƣớng 12
Hình 1-6. Quy trình lithography dùng trong phƣơng pháp chế tạo sợi Silic 13
Hình 1-7. Quy trình chế tạo sợi nano Silic bằng kỹ thuật SNAP. (a) cấu trúc siêu mạng
GaAs/Al
x
Ga

3
N
4
bị ăn mòn tại những vùng lớp
photoresist đã đƣợc tẩy trong khi những vùng không bị
tầy lớp Si
3
N
4
vẫn còn giữ lại. 19
Hình 2-6. Cấu trúc sau khi rửa bỏ lớp photoresist 19
Hình 2-7. Ăn mòn lớp SiO2 40nm, sau quá trình ăn mòn thu đƣợc cấu trúc hình bên phải 20
Hình 2-8. (a) cơ chế ăn mòn dị hƣớng wafer Silic <100> trong dung dịch bazơ của kim
loại kiềm; (b) kết quả sau khi ăn mòn dị hƣớng tạo sợi Silic 20
Hình 2-9. Sau khi tầy lớp Si
3
N
4
phía trên 20
vi Hình 2-10. (a) mặt cắt sợi chế tạo đƣợc, ( b) nhìn nghiêng từ trên cao với nhiều sợi song
song nhau, hai đầu sợi là vùng sẽ phủ làm điện cực. 21
Hình 2-11. Bƣớc chế tạo điện cực gồm sáu bƣớc nhỏ: (a) bƣớc phủ photoresist, (b) chiếu
ánh sáng làm thay đổi tính chất của photoresist, (c) development rửa trôi những phần
photoresist bị chiếu, (d) phủ lớp đệm điện cực bằng kim loại Ti mục đích tạo tiếp xúc
ohmic, (e) phủ kim loại Platin làm điện cực, (f) liff off-tẩy kim loại trên lớp photoresist
và photoresist đó. 25
Hình 2-12. Các bƣớc thực hiện khi chế tạo lớp cách điện thụ động điện cực. (a) mặt bên

tích hợp SiNW FET với thiết bị đo điện bên ngoài, sử dụng để thực hiện các thí nghiệm
trong phát hiện tế bào ung thƣ vú bằng cảm biến SiNW FET. 42
Hình 4-2. Sự phụ thuộc dòng điện của SiNW FET (loại chứa tám sợi SiNW) vào thời gian
thí nghiệm, trong quá trình đó dung dịch chứa TBUTV đƣợc bơm vào 44
vii Hình 4-3. Cƣờng độ dòng điện của SiNW FET thay đổi từ 9nA lên 25nA khi cho dung
dịch chứa tế bào UTV. Dòng điện sau đó đạt giá trị bão hòa xấp xỉ 30nA 45
Hình 4-4. Kết quả lăp lại trong phép đo phát hiện TBUTV. Dòng điện qua SiNW FET
trong thời gian chƣa có dung dịch chứa tế bào ổn định ở mức thấp, khi cho dung dịch
vào dòng tăng lên khoảng 20nA sau đó giảm nhẹ và đều về khoảng 30nA 46
Hình 4-5. Sự thay đổi dòng điện của SiNW FET khi đo trong môi trƣờng buffer PBS 0.1M . 47
Hình 4-6. Hình ảnh tế bào phân bố trên bề mặt chíp SiNW FET đƣợc nhìn qua KHV
huỳnh quang độ phóng đại 5000 lần. Các đốm sáng là các tế bào UTV phát sáng, các
đốm nhỏ trong hình vuông trắng là sợi Silic. Với thiết kế và kích thƣớc đang đƣợc sử
dụng của sợi Silic nhƣ quan sát đƣợc trên hình cho ta thấy xác suất để tế bào nằm vào
vùng làm việc (vùng có khả năng kết cặp với các kháng thể trên sợi SiNW) là không
lớn. 48
viii MỞ ĐẦU
Cảm biến sinh học là một lĩnh vực đã đƣợc nghiên cứu từ lâu và hiện vẫn
đang đƣợc quan tâm đầu tƣ nghiên cứu để phát triển do có thể ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực quan trọng. Ví dụ, riêng cảm biến sinh học đo glucose trong máu đã có thị
trƣờng khoảng 6 tỷ USD/năm. Mục đích của mọi hệ cảm biến sinh học 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 hiệu với độ chọn lọc cao hoặc phản ứng của chất cần phân
tích với một phần tử nhận diện đã đƣợc biết trƣớc. Trong các phƣơng pháp phân

thế không đổi có thể đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi điện thế tại cực cổng,
ngoài ra nó còn có thể thay đổi bởi các điện tích của các thành phần hóa học xung
quanh bề mặt chất bán dẫn (tính chất này đƣợc ứng dụng để làm cảm biến). Những
yêu cầu của loại transistor làm cảm biến sinh học khác so với loại dùng trong các
mạch logic của máy tính. Chất bán dẫn, làm bộ phận cảm biến của transistor, phải
đƣợc lộ ra để tiếp xúc với môi trƣờng chứa chất phân tích. Bộ phận cảm biến này
phải đủ nhỏ và phải có diện tích bề mặt lớn để làm tăng độ nhạy của cảm biến. Vì
độ nhạy phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ điện tích bề mặt so với tổng điện tích.
Dựa trên các yêu cầu đó, transistor hiệu ứng trƣờng dùng sợi Silic là một lựa
chọn tốt nhất, vì công nghệ chế tạo mạch tích hợp làm các transistor trong công
nghệ máy tính có từ lâu, nên ta có thể áp dụng công nghệ này làm transistor cảm
biến.
Kể từ khi transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic (SiNW FET) đƣợc chế tạo và
ứng dụng làm cảm biến sinh học vào 2001 bởi Y Cui
(http://www.stanford.edu/group/cui_group/) và Lieber
(http://cmliris.harvard.edu/), SiNW FET đã thu hút nhiều nhóm và viện nghiên cứu
trên thế giới tập trung đầu tƣ, nghiên cứu: Peidong Yang:
http://www.cchem.berkeley.edu/pdygrp/main.html; Health group- Caltech:
http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/Publications.html#; Viện Công Nghệ Nano
MESA http://www.mesaplus.utwente.nl/; Viện nghiên cứu A-star Singapore:
http://www.a-star.edu.sg; Autralia Research Council:
(http://www.materials.com.au/); Đại học KTH Thụy Điển http://www.kth.se;
Nanosens: http://www.nanosens.nl/product.htm
Transistor hiệu ứng trƣờng dựa trên sợi Silic kích thƣớc nano là thiết bị hứa
hẹn nhiều ứng dụng tìm năng trong y dƣợc học. Thực tế những thiết bị này cho thấy
khả năng ghi nhận đƣợc nhiều chất phân tích nhƣ chuỗi DNA, dấu hiệu sinh học
(biomarker), và các đối tƣợng lớn hơn nhƣ virus… Có nhiều loại cảm biến sinh học
khác nhau đã đƣợc thiết kế và chế tạo trong suốt thập kỷ vừa qua, sử dụng nhiều vật
liệu nano khác nhau để làm thành phần cảm biến nhƣ: Thanh dao động, chấm lƣợng
tử, thanh nano, sợi nano, dây nano, nanogap và màng kích thƣớt nano. Một số thiết


Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài chế tạo cảm biến dựa trên cấu trúc SiNW
FET để ứng dụng phát hiện tế bào ung thƣ vú dịch chuyển trong máu. Đây là một
đề tài có liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ vật liệu nano và chế tạo linh
kiện kích thƣớc nano, vật lý, hóa học, sinh học và y học. Đồng thời sử dụng cảm
biến SiNW FET để phát hiện CTC vẫn là lĩnh vực còn hoàn toàn mới trên thế giới
nên cũng chƣa có kết quả để tham khảo, đối chiếu với kết quả chúng tôi đạt đƣợc.
Do đó nhiệm vụ đặt ra trong đề tài này là: chế tạo thành công chíp SiNW FET, sau
đó ứng dụng phát hiện tế bào dịch chuyển (CTC) của ung thƣ vú trong dung dịch
nuôi cấy với nồng độ tế bào cao. Từ đó đánh giá tính chất, khả năng phát hiện của
chíp cảm biến chế tạo đƣợc. Các kết quả ban đầu này là tiền đề quan trọng cho
những bƣớc tiếp theo nhằm hoàn thiện hƣớng nghiên cứu còn rất mới và nhiều tiềm
năng này, tiến tới việc sử dụng cảm biến SiNW FET trong phát hiện CTC trong
mẫu máu thực sau.
Nội dung đề tài gồm hai phần chính. [1] Chế tạo chíp cảm biến dựa trên cấu
trúc SiNW FET; [2] Ứng dụng ban đầu trong phát hiện tế bào CTC của ung thƣ vú
trong dung dịch nuôi cấy.
1

CHƢƠNG 1: TỒNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SiNW FET
1.1 ĐẠI CƢƠNG VỀ CTC TRONG UNG THƢ VÚ
1.1.1 Khái niệm về CTC.
Năm 1869 Thomas Ashworth lần đầu tiên phát hiện ra tế bào ung thƣ dịch
chuyển trong máu (circulating tumor cells-CTC). CTC là các tế bào ung thƣ lƣu
chuyển trong quá trình tuần hoàn máu, nó xuất phát ra từ các khối u sơ khởi hoặc từ
các tế bào di căn ban đầu. Nó biểu hiện khi bệnh nhân bị các loại ung thƣ di căn khác
nhau nhƣ ung thƣ vú, ung thƣ tiền liệt tuyến và ung thƣ đại trực tràng CTC di chuyển
trong máu, quá trình phát tán của CTC tới các cơ quan trong cơ thể đƣợc xem là mầm
móng phát sinh các khối u mới cũng nhƣ nguyên nhân gây di căn
3


mô của chính nó. Các dấu hiệu này có thể dùng để phát hiện CTC và có thể nghiên
cứu cơ chế di căn ung thƣ thậm chí ở mức độ tế bào, đặc biệt trong máu và trong tủy
xƣơng của bệnh nhân. Phát hiện sự tồn tại của CTC trong máu giúp phát hiện sớm
ung thƣ vài năm trƣớc khi ung thƣ khởi phát di căn, và tăng khả năng đánh giá rủi ro
và giúp đƣa ra những y lệnh điều trị thích hợp cho bệnh nhân. Những tế bào này có
rất nhiều tiềm năng cho ta một phƣơng pháp mới để điều trị ung thƣ, đó là can thiệp
và tiêu diệt các tế bào CTC. Để phản ánh sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu về
CTC, phát hiện CTC đã đƣợc giới thiệu trong hệ thống phân chia giai đoạn ung thƣ
quốc tế và năm 2007 Hiệp Hội Ung Thƣ Lâm Sàn Hoa Kỳ khuyến cáo biểu hiện
CTC là một dấu hiệu phát hiện ung thƣ vú.
Những hiểu biết về CTC giúp kiểm soát quá trình di căn do CTC phát tán, nên
sẽ có ảnh hƣởng tích cực đến sự của bệnh nhân và quá trình theo dõi lâm sàn. Hiện
tại, các dữ liệu chứng tỏ có thể dùng CTC nhƣ yếu tố theo dõi bệnh nhân mắc ung
thƣ vú, trong khi những khía cạnh khác của bệnh học có liên quan đến CTC đang
đƣợc nghiên cứu nhờ những công nghệ mới
5
. Kiểm tra CTC trong máu là phƣơng
pháp ít xâm lấn so với các phƣơng pháp lấy sinh thiết, đồng thời có thể thực hiện
nhiều lần từ một mẫu máu đƣợc lấy ra.
Với sự phát triển của công nghệ micro-nano, cho phép tạo ra những vật liệu
mới, những linh kiện, thiết bị mới và các hệ thống mới ở kích thƣớc tế bào, phân tử,
nguyên tử giúp phát hiện CTC hiệu quả. Nhiều loại thiết bị cảm biến sử dụng vật liệu
cấu trúc micro-nano khác nhau đã và đang phát triển để ứng dụng phát hiện CTC. Đó
là một lĩnh vực nghiên cứu mới và nhiều hứa hẹn.
1.1.3 Các phƣơng pháp phát hiện CTC
Phƣơng pháp ly tâm
Có nhiều công nghệ khác nhau để phát hiện CTC trong máu ngƣời, phƣơng
pháp truyền thống phổ biến nhất là phƣơng pháp ly tâm. Các thành phần nặng hơn
trong mẫu máu sẽ lắng xuống dƣới đáy, trong khi các thành phần nhẹ hơn gồm các tế

màng polycabonate, liệu kích thƣớc CTC có thực sự lớn hơn đáng kể so với tế bào
hồng cầu? Đó vẫn đang là một câu hỏi. Vì thế kỹ thuật này bị những hạn chế tƣơng
tự nhƣ màng polycacbonate, làm cho nó dễ gây ra các kết quả dƣơng tính, âm tính
giả.
Cellsearch
Nguyên lý: Cellsearch là thiết bị duy nhất đƣợc cơ quan quản lý thuốc Hoa Kỳ
(FDA) cấp phép và cũng là sản phẩm thƣơng mại duy nhất trong phát hiện
CTC
7
(Cristofanilli et al. 2004). Đó là phƣơng pháp pháp hiện CTC dựa trên hƣớng
tiếp cận gắn miễn dịch: khi một kháng thể đặc hiệu liên kết với các kháng nguyên
tƣơng ứng của tế bào biểu mô đi kèm CTC để phân tách các tế bào này. Các kháng
nguyên này thƣờng là các phân tử bám dính tế bào biểu mô EpCAM (Epithelial Cell
ahhesion molecule). Phƣơng pháp Cellsearch đã đƣợc áp dụng phát hiện CTC của
nhiều loại ung thƣ di căn khác nhau nhƣ: ung thƣ vú, ung thƣ đại tràng, và ung thƣ
tiền liệt tuyến. Một mẫu máu 10mL lấy ra từ cơ thể chứa nhiều tế bào bạch cầu và
một số ít hoặc rất ít các CTC khác nhau. Sau đó mẫu máu đƣợc bảo quản trong môi
trƣờng chống độc để giữ tế bào. Mẫu máu đƣợc giữ ở nhiệt độ phòng và phân tích
trong thời gian 72 giờ. Một bộ kit chứa các kháng thể đặc hiệu với các EpCAM nhằm
làm giàu CTC và các chất đánh dấu tế bào bạch cầu và tế bào biểu mô. Các kháng thể
này có gắn các hạt nano có từ tính. Khi kháng thể EpCAM bắt cặp với kháng
nguyên của CTC, sau đó dƣới tác dụng của một từ trƣờng mạnh các CTC này sẽ tách
ra khỏi máu theo các hạt nano từ. Các tế bào không liên kết đƣợc hút ra, còn các tế
4

bào đã đƣợc tách bằng từ trƣờng sẽ đƣợc ủ nhuộm trong một khoảng thời gian, khi đó
từ trƣờng phân tách đƣợc lập lại để gom các CTC đã nhuộm hoặc đƣợc đánh dấu.
Cuối cùng chất nhuộm dƣ sẽ đƣợc hút ra. Các CTC này đƣợc xác định thông qua
kính hiển vi huỳnh quang bán tự động dƣới sự hỗ trợ của máy tính để tái tạo lại hình
ảnh của tế bào. Nó là các tế bào có bề mặt gồ ghề, dƣơng tính với anti cytokeratin và

bệnh nhân. Năng suất của CTC chip giảm 20% khi tăng tốc độ chảy lên 3ml/h. Một
nhƣợc điểm khác là CTC chip chỉ bắt các EpCAM vì thế không phát hiện đƣợc các tế
bào ở thời kỳ EMT cũng nhƣ những ung thƣ sarcomas vì sarcomas không biểu hiện
EpCAM. Khi giảm kích thƣớc các thanh Silic về kích thƣớc nano thì tỉ lệ bắt CTC
tăng lên 65%
9
và thời gian cần thiết cũng mất hàng giờ để thực hiện một mẫu phân
5

tích. Kết quả ta thấy độ nhạy của phƣơng pháp không cao và đặt biệt thời gian phân
tích rất lâu.
Transistor hiệu ứng trƣờng
Transistor hiệu ứng trƣờng dựa trên sợi Silic kích thƣớc nano và Cacbon
nanotube (SiNWs FET và CNT FET) là vật liệu có khả năng làm tăng độ nhạy phát
hiện CTC dựa trên nhiều cách khác nhau. Trƣớc tiên, vật liệu kích thƣớc nano có khả
năng thay đổi bề mặt để tƣơng tác với tế bào. Hình thái bề mặt của vật liệu có thể dẫn
đến tính tƣơng thích sinh học cao với tế bào hoặc thậm chí sự tƣơng tác đó biểu hiện
khác nhau với những loại tế bào khác nhau. Bề mặt có kích thƣớc nano có thể làm
tăng khả năng bám dính của tế bào nên thuận lợi khi phát hiện CTC trong máu. Lần
đầu tiên transistor hiệu ứng trƣờng đƣợc sử dụng để phát hiện các phân tử sinh học,
các phân tử hóa học vào năm 2001
10
(Cui et), từ đó đến nay có nhiều công trình
chứng tỏ những tính năng vƣợt trội của loại cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc này.
Nhƣng vì CNT FET có hai nhƣợc điểm chính khi dùng làm cảm biến sinh học: (1)
Phƣơng pháp tổng hợp hiện tại làm cho CNT dễ bị lẫn tạp chất kim loại, nên gây ra
nhiều tính chất không mong muốn khi làm cảm biến. (2) Những trở ngại trong các
phƣơng pháp chức năng bề mặt CNT để có thể gắn nhiều các chất phân tích lên đó.
Trong khi SiNWs FET khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm này.
Ngoài ra Silic là chất bán dẫn và nồng độ hạt tải đƣợc kiểm soát nhờ quá trình

thể khác nhau để phát hiện các biomaker khác nhau trong từng mục đích nhất
định.
 Tính tích hợp: Trong cùng một dụng cụ, với nhiều cảm biến có cấu trúc
SiNWs đƣợc chế tạo trên một diện tích rất nhỏ, chứa trong một thiết bị duy
nhất. Mỗi một sợi Silic đƣợc chức năng với một phân tử sinh học cụ thể khác
nhau để phát hiện một phân tử sinh học đặc hiệu với nó. Nhƣ vậy với nhiều sợi
đƣợc chức năng khác nhau có thể phát hiện đồng thời các biomaker trong cùng
một thiết bị (lab on chip)
11
.
 Tính tƣơng thích: Thừa hƣởng thành tựu của công nghệ máy tính nên cảm
biến SiNWs FET có tính tƣơng thích cao với các thiết bị ngoại vi. Nhờ tính
tƣơng thích với việc chế tạo các thiết bị công nghệ micro điện tử nên chỉ cần áp
dụng công nghệ micro để giảm kích thƣớc thiết bị và sẽ cho ta một thiết bị ở
kích thƣớc nano, nhạy hơn, chi phí thấp và khả thi
12
.
 Tính tức thời: Vì cảm biến hoạt động thông qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục
của tín hiệu điện, cho phép các phân tích đƣợc phát hiện nhanh, rút ngắn đáng kể thời
gian thực hiện một mẫu phân tích
13
.
Với các ƣu việt nói trên SiNWs FET hứa hẹn là một trong những công nghệ
hiệu quả trong việc phát hiên CTC ứng dụng cho nhiều mục tiêu khác nhau nhƣ chẩn
đoán, tiên lƣợng, đánh giá kết quả điều trị, tầm soát các bệnh ung thƣ. Chính vì thế,
năm 2011 nhóm các nhà khoa học Thụy Điển đã đề xuất một dự án nghiên cứu chế
tạo thiết bị phát hiện CTC trong máu với kinh phí lên tới 64 triệu Korana (tương
đương 10 triệu USD)
14
.

Khía cạnh sinh học của CTC: Về khía cạnh sinh học tế bào, thông tin về CTC
vẫn còn nhiều hạn chế. Nên cần nhiều nghiên cứu để có một tập hợp thông tin sinh
học đầy đủ của nó kèm theo đó là cơ sở phân loại CTC dựa trên các biểu hiện bề mặt
khác nhau, cũng nhƣ xác định hàm lƣợng ngƣỡng nguy hiểm của từng loại là một
nhiệm vụ quan trọng giúp cung cấp một số chỉ dẫn điều trị ung thƣ hiệu quả hơn.
Những thiết bị ghi nhận các tín hiệu về điện, từ, quang dựa trên công nghệ nano có
thể đƣợc dùng để phát triển thiết bị phân tích cầm tay, chúng có thể phân loại bệnh
nhân dựa trên các tín hiệu miễn dịch học. Ngoài ra nó còn kích thích phát triển các
loại thuốc đặc biệt nhằm cắt đứt quá trình di căn dựa trên các thông tin về tế bào của
bênh nhân.
Thông tin di truyền: Thông tin di truyền ẩn chứa trong CTC vẫn còn là hiện
tƣợng chƣa đƣợc hiểu thấu đáo và nếu nghiên cứu thông tin di truyền này có thể
mang lại những tín hiệu mới cho quá trình nghiên cứu quá trình chuyển dịch trung
gian biểu mô (Epithelial to Mesan Transformation-EMT). CTC gần đây thể hiện
những tính chất giống với tính chất của tế bào gốc
18
(Mark 2007). CTC giúp biết đƣợc
vị trí nguồn gốc của khối u thông qua quá trình tự gieo mầm ung thƣ.
Sinh học ung thƣ - Cơ chế của quá trình di căn: nghiên cứu CTC có thể giúp
chúng ta khám phá cơ chế quá trình di căn để có thể can thiệp, ngăn chặn quá trình di
căn, từ đó phát triển các loại thuốc thích hợp nhằm ngăn chặn quá trình phát tán di
căn.
8

1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN SINH HỌC SiNW FET

Một FET cảm biến có cấu trúc là một transistor có ba điện cực, trong đó cực
nguồn và máng nối với nhau qua một kênh chất bán dẫn và cực cổng có khả năng
điều khiển sự dẫn điện của kênh này. Một FET cảm biến nano, kênh dẫn đƣợc làm từ
vật liệu nano Silic. Để phát hiện một đối tƣợng sinh học nào đó, ta cần gắn các chất

Silic đƣợc chức năng các
phần tử nhận biết những
đối tƣợng khác nhau
nhằm phát hiện nhiều đối
tƣợng cùng lúc. SiNW
FET có thể đƣợc chia ra
thành 3 nhóm dựa theo
chất gắn kết trên bề mặt
sợi: gắn enzyme, gắn
miễn dịch, và dựa trên tế bào.
Ƣu điểm của SiNWs FET là khả năng chuyển đổi tín hiệu trực tiếp từ sự tƣơng
tác của các phần tử sinh học xảy ra trên bề mặt sợi Silic thành tín hiệu điện mà không
cần qua bất kỳ một quá trình trung gian nào. Công nghệ xử lý bề mặt vật liệu Silic có
từ lâu đời và quy củ nên việc chức năng hóa bề mặt sợi Silic để hình thành các loại
cảm biến khác nhau, mang lại sự thuận tiện trong chế tạo. Chính vì quá trình chuyển
đổi tín hiệu trực tiếp nên thời gian đáp ứng nhanh. Đồng thời các cảm biến này có thể
tái sử dụng bằng phƣơng pháp tái chức năng bề mặt. Trong quá trình chế tạo, độ dẫn
điện của sợi Silic có thể đƣơc kiểm soát nhờ kiểm soát tỉ lệ pha tạp. Môi trƣờng để
đƣa chất cần phân tích vào cảm biến SiNW FET ảnh hƣởng rất lớn đến sự hoạt động
của cảm biến: nồng độ ion, độ tinh khiết của nƣớc, độ pH chính vì thế với các nhóm
nghiên cứu khác nhau trên thế giới khi thực hiện đo trong môi trƣờng khác nhau thì
khó mà so sánh đƣợc nên cần có một môi trƣờng chuẩn cho tất cả các nghiên cứu sau
này. Các thông số quan trọng cần quan tâm khi chế tạo SiNW FET là: [1] Độ dài
kênh dẫn, chiều dài sợi Silic; [2] độ rộng kênh dẫn, là độ rộng của điện cực; [3] loại
chất thụ động điện cực.
Với SiNW FET, chế tạo trong luận văn này, thì đế Silic có vai trò làm điện cực
cổng, kích thƣớc của linh kiện sẽ ảnh hƣởng trực tiếp tới thời gian đáp ứng của nó.
Độ dài kênh dẫn là khoảng cách giữa điện cực nguồn và điện cực máng.
Hình 1-2. Chíp SiNW FET gồm nhiều sợi Si đặt song
song nhau, mỗi sợi được gắng một phần tử khác nhau

chiều tăng dần kích thƣớc đƣờng kính sợi
20
và khi đƣờng kính lớn hơn 150nm, nó thể
hiện tính chất nhƣ sợi có kích thƣớc micro. Từ thực nghiệm cũng cho thấy sợi nano
pha tạp với nồng độ hạt tải thấp sẽ nhạy hơn khi pha tạp cao hoặc không pha tạp
21
.
1.3.1 Chế tạo sợi nano Silic bằng phƣơng pháp Top Down (TD)
Top down là phƣơng pháp chế tạo SiNW FET từ đế Silic loại SOI
(Semiconductor On Insulator-SOI) dựa trên các kỹ thuật chủ yếu bao gồm quang
Hình 1-3. 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 SiNW FET
11

khắc nano (nanolithography), ăn mòn (etching), tạo đƣờng dẫn (metallization) để có
đƣợc cấu trúc SiNW FET mong muốn. Wafer sử dụng chế tạo sợi Silic trong phƣơng
háp TD là loại đế SOI có ba lớp: (1) lớp đế là lớp Si đã đƣợc pha tạp nhiều, có chức
năng đóng vai trò là cực cổng của FET, (2) lớp giữa là lớp điện môi SiO
2
có kích
thƣớc 50-200nm, (3) lớp trên cùng là lớp đơn tinh thể Si (20-300 nm), sợi Silic nano
sẽ đƣợc chế tạo ở lớp trên cùng này. Kỹ thuật dùng trong TD để định dạng sợi nano
có thể là các kỹ thuật ăn mòn ƣớt, ăn mòn khô, quang khắc, khắc bằng chùm tia
điện tử, hoặc phƣơng pháp dịch chuyển về kích thƣớc nano nhƣ phƣơng pháp dịch
chuyển thành cấu trúc sợi nano trong siêu mạng. Sợi nano đƣợc chế tạo từ TD có tính
đồng nhất và định hƣớng cao, kích thƣớc sợi thƣờng đƣợc chế tạo trong khoảng 30-
100nm. Sợi nano đƣợc chế tạo bằng TD có hiệu suất cao theo một hƣớng và vị trí cho
trƣớc, nhƣ thế dễ dàng chế tạo thành những thiết bị có chức năng mong muốn.
1.3.1.1 Ăn mòn
Có hai kỹ thuật ăn mòn là: ăn mòn ƣớt là quá trình ăn mòn xảy ra ở pha lỏng và

dày của lớp bị ăn mòn tƣơng ứng với thời gian ăn mòn .
Ăn mòn ƣớt Si: Chất ăn mòn thƣờng dùng là dung dich KOH nồng độ thấp.
Trong cơ chế ăn mòn ƣớt màng Silic để hình thành cấu trúc sợi nano, ta cần biết cơ
chế ăn mòn ƣớt có thể giống nhau về mọi hƣớng, có khi ƣu tiên một hƣớng nào đó.
Xét về hình thái vật liệu khi bị ăn mòn có thể chia ra làm ba loại: ăn mòn đẳng
hƣớng, ăn mòn dị hƣớng và ăn mòn siêu dị hƣớng.

Hình 1-5. Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hướng, b- dị hướng, c- siêu dị hướng
[Hình 1-5a] ăn mòn đẳng hƣớng (Isotropic): Tốc độ ăn mòn là nhƣ nhau theo mọi
hƣớng, thƣờng chỉ phụ thuộc vào tính chất hóa học của các chất.
[Hình 1-5b] ăn mòn dị hƣớng (Anisotropic): Tốc độ ăn mòn theo một hƣớng nào đó
nhanh hơn các hƣớng khac (ƣu tiên một hƣớng nhất định).
[Hình 1-5c] ăn mòn siêu dị hƣớng (compeletely anisotropic): Tốc độ ăn mòn chỉ
thẳng theo một hƣớng duy nhất.
Trong phƣơng pháp TD, nanolithography là một trong các kỹ thuật chủ yếu
nhất đƣợc sử dụng kết hợp với quá trình ăn mòn để chế tạo sợi nano Silic.
Nanolithography có hai loại: photolithography dùng tác nhân là photon và e_beam
lithography dùng tác nhân là chùm điện tử. Trong quy trình này chất cảm quang
(photoresist) đƣợc phủ lên vật liệu mong muốn, khi nó bị chiếu sáng hoặc chiếu
chùm electron (theo các định dạng định sẵn) thì tính chất hóa học của nó thay đổi, tạo
nên những cấu trúc mong muốn [Hình 1-6].

13

Có hai loại chất cảm quang, cảm quang dƣơng (positive) và cảm quang âm
(negative). Với cảm quang dƣơng, vị trí nào bị chiếu sẽ bị tẩy đi và với cảm quang
âm thì ngƣợc lại, vị trí nào không bị chiếu sẽ bị tẩy đi khi qua bƣớc hiện hình
(development). Photoresist thƣờng đƣợc phủ tạo dạng màng mỏng bằng phƣơng pháp
phủ quay (spinning coating), khi tốc độ quay càng cao thì màng càng mỏng. Tất cả
các photoresist cần làm khô trƣớc khi đƣợc chiếu sáng. Quy trình lithography thƣờng

dùng tia UV kết hợp với chiến lƣợc suy giảm kích thƣớc có thể tạo ra nhiều sợi nano
(NWs) có chiều rộng từ 5-50nm, nhỏ hơn khi dùng phƣơng pháp E-beam.
1.3.1.3 Chế tạo sợi nano bằng phƣơng pháp siêu mạng (Superlattice nanowire
pattern transfer-SNAP)
Kỹ thuật molecular beam epitaxy đƣợc sử dụng để tạo ra một khuôn trên một
lớp siêu mạng từ đó các sợi nano sẽ đƣợc chế tạo thông qua kỹ thuật phún xạ
(sputtering) lên trên cấu trúc siêu mạng. Sau đó các sợi nano tạo ra trên khuôn này sẽ
đƣợc chuyển lên đế SOI đã pha tạp thành bán dẫn loại P hoặc N trƣớc đó. Sau đó
dùng kỹ thuật ăn mòn để tạo ra các sợi nano Silic, sử dụng các sợi nano kim loai làm
vật đinh dạng.
15 Hình 1-7. Quy trình chế tạo sợi nano Silic bằng kỹ thuật SNAP. (a) cấu trúc siêu
mạng GaAs/Al
x
Ga
1-x
As. (b) các cạnh của siêu mạng được ăn mòn khác nhau. (c) kim
loại bạch kim (Pt) được phủ lên các cạnh của siêu mạng. (d) chập các cạnh có kim
loại đã phủ của siêu mạng lên wafer SOI đã có trước lớp polyme, khi đó lớp kim loại
đơn tinh thể sẽ gắn với lớp Silic đơn tinh thể của wafer. (e) ăn mòn siêu mạng, chỉ
còn lại lớp kim loại trên đế wafer. (f) lớp kim loại đóng vai trò là mặt nạ khi ăn mòn
khô hình thành cấu trúc sợi.(g) cuối cùng các sợi kim loại bị tẩy đi, hiện ra các sợi
Silic đồng đều và định hướng cao
Phƣơng pháp này có ƣu điểm nhƣ: chế tạo đƣơc sợi nano đồng nhất có tính định
hƣớng cao, và có thể kiểm soát chiều dài của sợi. Tuy nhiên nó cũng gặp phải nhiều
nhƣợc điểm, đặc biệt là chi phí chế tạo rất cao để tạo khuôn có các siêu mạng.
1.3.2 Chế tạo sợi nano bằng phƣơng pháp Bottom Up (BU)
Là phƣơng pháp tạo sợi Silic từ các các nguyên tử, phân tử ban đầu. Phƣơng

tử nhỏ có các liên kết peptide. Ghi nhận tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu đó từ tế bào.

17

CHƢƠNG 2:

CHẾ TẠO CẢM BIẾN SiNW FET
2.1 CHẾ TẠO SiNW FET
Nhƣ đã trình bày ở Chƣơng I, việc nghiên cứu để đƣa ra công nghệ chế tạo
đƣợc các sợi nano, và sau đó là linh kiện nano, trong điều kiện còn hạn chế nhiều về
cơ sở vật chất, kiến thức chuyên ngành là một nhiệm vụ khó khăn, nhƣng cấp thiết và
mang nhiều ý nghĩa và ích lợi quan trọng. Để giải quyết đƣợc nhiệm vụ này, chúng
tôi đã chọn các phƣơng pháp nghiên cứu sau :
 Nghiên cứu, phân tích các tài liệu, bài báo chuyên ngành, về chế tạo nano nói
chung và chế tạo sợi nano nói riêng. Từ đó tìm cách học hỏi các điểm mạnh,
cũng nhƣ chỉ ra các điểm hạn chế của mỗi phƣơng pháp chế tạo, đúc rút ra
phƣơng pháp khả thi để chế tạo sợi nano Si.
 Để phát hiện đƣợc các biomakers sợi nano Si sử dụng phải là các sợi đơn tinh
thể (single crsytalline Silicon) có chất lƣợng cao. Và thƣờng đƣợc chế tạo từ các
đế Silic đặc biệt loại semiconductor on insulator (SOI). Do đó trong quá trình
tìm hiểu tài liệu, các công nghệ liên quan đến việc chế tạo sợi nano từ đế SOI
đƣợc quan tâm đặc biệt.
 Trao đổi kiến thức với các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực chế tạo nano và
sợi nano. Tìm hiểu khả năng chế tạo của các thiết bị và cơ sở vật chất hiện có
của Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (PTN CNNN) ĐHQG TPHCM và
các đơn vị trong nƣớc.
Sau quá trình trên chúng tôi đã đƣa ra quy trình công nghệ để chế tạo SiNWs FET và
quy trình đó gồm các bƣớc chính sau đây [Hình 2-1…10]
1. Chuẩn bị wafer
2. Oxy hóa tạo lớp SiO