iv
MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA i
LỜI CẢM ƠN ii
LỜI CAM ĐOAN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii
MỞ ĐẦU viii
CHƯƠNG I TỒNG QUAN 1
I . Lịch sử phát triển Cảm biến sinh học (biosensor) 1
II. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based
biosensors) 3
CHƯƠNG II: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO
SỢI NANO SILICON 7
I. Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi
nano silicon 7
II. Các kĩ thuật cơ bản sử dụng trong qui trình DEA 12
II.1 Công nghệ quang khắc 12
II.2 Công nghệ ăn mòn thẳng đứng 17
II.3 Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hướng 18
III.4 Kỹ thuật ăn mòn dị hướng màng kim loại 22
CHƯƠNG III CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON BẰNG PHƯƠNG PHÁP
DEA VÀ KẾT QỦA CHẾ TẠO 24
I. Chế tạo sợi bằng Qui trình DEA 24
II. Kết quả chế tạo 27
II.1 Kích thước và tính chất bề mặt 27
II.2 Tính chất điện 28
CHƯƠNG IV KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN DNA CỦA CẢM BIẾN 30

PNA Peptide Nucleic Acid
PTN CNNN Phòng Thí Nghiện Công Nghệ NaNo
PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition lắng đọng hoá
học pha hơi kèm hỗ trợ plasma
RNA RiboNucleic Acid
RIE Reactive Ion Etching, phản ứng ăn mòn ion
Si – NW Silicon Nano Wire, sợi nano silic
SOI Silicon On Insulator, slic trên đế điện môi
TFA TriFluoroacetic Acid
UV Utra Violet, tia cực tím vii
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên 1
Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của bộ kít nano sinh học dựa trên sợi nano
4
Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh 6
Hình 4: Sơ đồ khối các bước công nghệ cơ bản của qui trình DEA 10
Hình 5: Mô hình mặt nạ 13
Hình 6: Quy trình quang khắc 13
Hình 7: Cách phủ lớp photoresist 15
Hình 8: Các phương pháp chiếu 16
Hình 9: Cấu tạo hệ ăn mòn ion phản ứng 18
Hình 10: Cấu tạo hệ bốc bay chân không cơ bản 19
Hình 11: Màng bay hơi trên bậc thang 19
Hình 12: Nguồn bay hơi bằng chùm tia điện tử 21
Hình 13: Sơ đồ hệ ăn mòn phún xạ. 23
Hình 14: Hình ảnh SEM và AFM của sợi nano silicon chế tạo ra 27

Phát hiện và định lượng nhanh các phần tử sinh học như glucose,
protein, ADN… ở nồng độ siêu nhỏ là một yêu cầu vô cùng quan trọng
trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của các ngành sinh học, y
tế, dược phẩm và nông nghiệp… Ví dụ thông qua việc phát hiện các
protein đặc trưng (protein markers), ADN đột biến (gen mutation),
kháng nguyên và kháng thể (antibodies, antigents), glucose… trong
bệnh phẩm, cho phép chẩn đoán nhanh, chính xác nhiều bệnh nguy hiểm
như ung thư, lây nhiễm virus, sản phẩm đột biến gen, tiểu đường…
Những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần
đây đã xác định được trên 140 chất đánh dấu sinh học (biological
markers) như vậy, mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho nghiên cứu
và ứng dụng trong các ngành khoa học liên quan như sinh học, y học,
dược phẩm, nông nghiệp…
Có nhiều kĩ thuật và phương pháp đã và đang được sử dụng để
phân tích và định lượng các phần tử sinh học trên như kĩ thuật ELISA,
Polymer Chain Reaction (PCR), Surface Plosmon Resonance (SPR),
cộng hưởng từ, phân tích hóa học… Tuy thế, chưa có phương pháp nào
trong các phương pháp truyền thống này có đầy đủ khả năng cho phép
phát hiện nhanh, chính xác, đồng thời các phân tử sinh học nói trên. Do
đó việc nghiên cứu, chế tạo ra một thế hệ cảm biến mới có khả năng như
thế đang được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu.
Và một khả năng đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị phân tích
hiện nay cần được nghiên cứu, nâng cao đó là độ nhạy. Ví dụ việc phát
hiện nhanh các chất đánh dấu sinh học nói trên ở nồng độ siêu nhỏ
(trong khoảng nM-fM), sẽ cho phép chẩn đoán được bệnh trong thời
gian tiền nhiễm bệnh. Trong thời gian này, các phương pháp y học (cả
truyền thống và hiện đại) đều phát huy rất hiệu quả trong việc chữa trị,
thậm chí với những bệnh hiểm nghèo như ung thư. Gần đây, nghiên cứu
của các nhà y học Anh cho thấy, nếu bệnh ung thư tuyến tiền liệt được
phát hiện trong giai đoạn sơ khởi (tiền nhiễm bệnh), thì bệnh nhân

- Các kĩ thuật và công nghệ cơ bản của DEA để chế tạo sợi
nano silicon
Chương 3 – Chế tạo sợi nano bằng phương pháp DEA và
kết quả chế tạo
- Chi tiết các bước chế tạo sợi nano silicon bằng phương
pháp DEA
- Kêt quả chế tạo
Chương 4 – Khảo sát khả năng phát hiện DNA của cảm
biến
- Biến đổi bề mặt sợi silicon thích hợp cho việc gắn thụ thể
- Đo đạc, phát hiện DNA của cây bắp chuyển gen.
Kết luận

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
I. Lịch sử phát triển cảm biến sinh học (biosensor)
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
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.” 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. Do vậy cấu tạo
của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học,
thành phần sinh học và thành phần vật lý.
Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên.
Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh
vực cảm biến sinh học. Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cực
oxy hoá. Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm

biến sinh học trong đời sống.
Vào năm 1982, Shichiri và các đồng nghiệp đã báo cáo và mô tả về cảm
biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim đầu tiên cho các xét nghiệm
dưới da.
Trong thập kỉ vừa qua, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học
và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu và chế tạo nano , cảm
biến sinh học thế hệ mới- cảm biến nano sinh học - cũng đạt được những tiến
bộ vượt bậc. Trong cấu trúc của cảm biến nano sinh học, các điện cực hay phần
nhạy của thiết bị truyền thống bây giờ được thay thế bằng các vật liệu và linh
kiện nano có độ nhạy cao hơn. Ví dụ các điện cực micro trước đây được thay
thế bằng các cấu trúc nano như ống nano cacbon hay sợi nano của vật liệu bán
dẫn hoặc kim loại với độ nhạy ở mức đơn phân tử (single molecule) mà cấu
trúc micro không có khả năng này. Ngoài ra, những thành tựu đột phá trong
lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần đây đã xác định được trên 140 chất
đánh dấu sinh học (biological markers), giúp nâng cao đáng kể độ đặc hiệu của
cảm biến sinh học nói chung. Và sự kết hợp các ưu việt của công nghệ nano
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
3
(vật liệu và linh kiện nano với độ nhạy cao) với công nghệ sinh học (độ đặc
hiệu cao của chất đánh dấu sinh học) đã chế tạo ra những thế hệ cảm biến mới
có khả năng xác định nhanh, chính xác, với độ đặc hiệu cao các phần tử sinh
học quan trọng như DNA, proteins, vi khuẩn, virut gây bệnh…. Có rất nhiều
cảm biến nano sinh học đã và đang được nghiên cứu, phát triển trong thời gian
qua và mỗi loại có những ưu điểm khác nhau. Tuy nhiên trong luận văn này
chúng tôi tập trung nghiên cứu về công nghệ chế tạo và ứng dụng của cảm biến
sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano silicon.
II. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based
biosensors).
Sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với đường kính sợi trong
khoảng 1-100 nm. Như thế, chúng ta phải bỏ ít nhất 1 triệu sợi nano lại với

ii. Vì bộ kít hoạt động thông qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục của điện
trở, cho phép các phân tích được phát hiện nhanh (trong khoảng
vài giây đến phút) - tính siêu nhanh của bộ kít sợi nano.
iii. Vì các cặp mồi sinh học được thiết kế để sử dụng có tính kết cặp
siêu chọn lọc, cho phép cảm biến có độ chọn lọc rất cao với chất
cần phát hiện - tính chọn lọc đặc trưng rất cao của cảm biến.
Tính kết cặp siêu chọn lọc của các cặp mồi sinh học là một tính
chất đặc thù, nhưng tuyệt vời của tự nhiên, cho phép phân biệt
từng cá thể riêng biệt trong một quần thể cực phức tạp, phong phú.
Ví dụ trong khi trái đất có trên 6 tỉ người với từng ấy phân tử
DNA khác biệt, nhưng một phân tử DNA sẽ chỉ kết cặp duy nhất
với một DNA khác được thiết kế tương thích. Hoặc nếu receptor
là một kháng nguyên đã được thiết kế sẵn, thì kháng nguyên này
chỉ bắt cặp với một kháng thể duy nhất với kháng nguyên đó.
iv. Một bộ kít sinh học có thể được chế tạo bao gồm nhiều sợi nano,
mà mỗi sợi được gắn kết với một mồi sinh học đặc trưng, cho
phép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh học
khác nhau. Khả năng này nâng cao tính chính xác của phép phân
tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano.
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
6
Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh, siêu nhạy biomarker loại
PSA trong máu người để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến. Sự bám dính của
PSA lên bề mặt sợi nano bán dẫn loại P(NW1) làm tăng dòng điện chạy qua
sợi, trong khi dòng qua sợi nano bán dẫn loại N(NW2) lại giảm đi. Sự kết hợp
của hai sợi trên cùng một bộ kít như thế nâng cao đáng kể độ chính xác của
phép phân tích.
Trong thời gian qua các nhà khoa học đã dùng nhiều công nghệ chế tạo
khác nhau, chế tạo thành công bộ kít nano dựa trên các cấu trúc sợi nano silic.
Ví dụ thiết bị của nhóm nghiên cứu thuộc đại học Harvard, Mỹ, có khả năng

MESA+, Hà lan; Viện nghiên cứu A-star
Singapore; v.v… Các kết quả nghiên cứu về sợi nano
nói chung và cảm biến sợi nano nói riêng đã và đang được công bố trên hơn
5000 nghìn bài báo, tại các tạp chí khoa học uy tín lớn nhất trên thế giới như
Science và Nature. Vì những lí do trên, có thể nói rằng đến ngày hôm nay, các
nhóm nghiên cứu đã phát minh, sáng tạo ra rất nhiều phương pháp để chế tạo
sợi nano kim loại và bán dẫn, với kích thước và tính chất đa dạng, phù hợp cho
các mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau ( Hình 2).
Tuy các nhóm nghiên cứu đã gần như làm chủ được công nghệ chế tạo sợi
nano, nhưng việc chế tạo được linh kiện nano (hình 2d) với các đường dẫn kết
nối ra mạch điều khiển bên ngoài vẫn còn là một vấn đề vô cùng khó khăn. Để
đi đến linh kiện như hình 2d, các nhà khoa học phải thực hiện rất nhiều bước
thực nghiệm như chọn lọc đơn sợi, rồi chế tạo điện cực cho đơn sợi đó. Các
công việc này là rất khó khăn và đòi hỏi nhiều thời gian vì cấu trúc siêu nhỏ
của sợi. Việc này cần đến các thiết bị chuyên dụng, đắt tiền. Ngoài ra, độ lặp
lại của linh kiện cũng không cao do việc chế tạo thủ công, đơn chiếc. Việc sử
dụng các thiết bị quang khắc nano chuyên dụng nhu E-Beam nanolithography,
Focused Ion Beam, AFM để chế tạo các đơn sợi ở các vị trí định sẵn sẽ loại bỏ
được việc chọn lọc sợi và dễ dàng hơn trong việc tạo điện cực kết nối mạch
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
8
ngoài. Tuy thế các thiết bị quang khắc nano nói trên đều rất đắt tiền, đi kèm với
năng suất thấp, dẫn đến giá thành chế tạo linh kiện quá cao, hạn chế khả năng
nghiên cứu cũng như ứng dụng rộng rãi của linh kiện sợi nano nói chung và
cảm biến sợi nano nói riêng. Hiện nay các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang
tập trung nghiên cứu, tìm kiếm các phương pháp chế tạo mới, cho phép chế tạo
đồng loạt, nhằm hạ giá thành, tiến tới việc thương mại hóa rộng rãi linh kiện
loại này trong vòng 3-5 năm tới. Khi đó, với nhiều ưu việt vượt trội, linh kiện
và thiết bị dựa trên cấu trúc sợi nano được kì vọng sẽ góp phần thay đổi bản
chất nhiều nghiên cứu và ứng dụng truyền thống trong nhiều lĩnh vực, từ

o
SiO
2
SiO
2
Đế Si
Si
A Lắng đọng SiO
2
/
Si
3
N
4
Si
3
N
4
B Quang khắc, ăn mòn Si
3
N
4
B Nhìn từ trên
l
W=3 µm
C Ăn mòn ướt SiO
2
Ăn mòn tạo nên 1 kênh
D Lắng đọng tạo lớp mạ Crom
lắng đọng theo góc nghiên

Qui trình công nghệ để chế tạo sợi nano nói trên gồm các bước cơ bản sau:
 Chế tạo lớp cách điện SiO
2
trên đế silicon loại đặc biệt SOI
(semiconductor on insulator - SoiTec), với lớp silicon trên cùng có độ dày
30 nm, hạt dẫn loại P với nồng độ hạt tải 5. 10
18
hạt tải /cm
3
, lớp cách
điện SiO
2
có độ dày 150 nm, đế silic có độ dày 500-700 micron
 Quang khắc để tạo cửa sổ ăn mòn
 Ăn mòn khô để tạo bậc nano trên lớp SiO
2
 Bốc bay tạo màng Cr trên bậc nano SiO
2
 Ăn mòn dưới góc nghiêng để loại bớt màng Cr, tuy thế do cấu trúc ăn
mòn, một phần màng Cr được che chắn bởi bậc nano SiO
2
, tạo lên sợi
nano Cr nằm dọc theo bậc SiO
2
. (Bước này được thực hiện trên thiết bị
Ion Beam Etching (IBE) của Viện nghiên cứu MESA+, Hà lan, do PTN
CNNN hiện chưa có thiết bị IBE.
 Ăn mòn thẳng đứng Silicon, dùng Cr làm lớp bảo vệ, để có được các sợi
nano silic nằm bên dưới sợi nano Cr.
 Ăn mòn ướt với độ chọn lọc cao, loại bỏ lớp Cr, để có được các sợi nano

dạng cấu trúc mà ta muốn chuyển vào lớp SiO
2
sau này.
Để nhận được hình dạng thật của cấu trúc, những hình ảnh trên lớp cảm
quang phải được truyền tiếp xuống lớp vật liệu bên dưới SiO
2
. Việc này được
thực hiện qua công đoạn ăn mòn khô (dry etching), sử dụng hỗn hợp khí CHF
3
+ O
2
. Trong qui trình công nghệ này, lớp cảm quang có chức năng chính là
định hình cho bậc nano trên màng mỏng SiO
2
, do đó chất lượng của lớp cảm
quang sẽ góp phần quyết định đến chất lượng định hình của bậc nano, mà cuối
cùng là của sợi nano sau này. Điều này yêu cầu tiến hành thực nghiệm, thay
đổi các thông số của quá trình quang khắc là thời gian chiếu sáng và thời gian
hiện để tạo ra các cửa sổ có chất lượng tốt nhất với loại cảm quang sử dụng.
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
13
Hình 5: Mô hình mặt nạ
Hình 6: Quy trình quang khắc
Các giai đoạn cơ bản để tạo quang khắc:
- Chuẩn bị bề mặt
- Sấy sơ bộ
- Phủ photoresist lên đế
Cr
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
14

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
15
- Độ dày lớp phủ: 0.5-15µm
Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ photoresist
w
kp
t
2
=
Trong đó k: hằng số của thiết bị quay spinner (80-100)
p: hàm lượng chất rắn trong resist (%)
w: tốc độ quay của spinner (vòng/1000)
Hình 7: Cách phủ lớp photoresist
Sấy sơ bộ Pre-Baking (Soft-Baking): làm bay hơi dung môi có trong
photoresist. Trong quá trình sấy độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%.
Các phương pháp thực hiện:
a. Dùng lò đối lưu nhiệt
- nhiệt độ: 90-100
o
C
- thời gian: 20 phút
b. Dùng tấm gia nhiệt
- nhiệt độ: 75-85
o
C
- thời gian: 45 giây
c. Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại.
Chiếu (exposure): Trong giai đoạn này, hệ sẽ được chiếu ánh sáng để chuyển
hình ảnh lên nền, mặt nạ được đặt giữa hệ thấu kính và nền.
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

này. Do đó phương pháp ăn mòn ion phản ứng (reactive ion etching-RIE) được
sử dụng với mục đích chính là tạo ra các bậc nano có độ cao thích hợp, có cạnh
thẳng và siêu mịn (smooth edge), cho phép chế tạo sợi nano có kích thước
tương tự như thế sau này.
Phương pháp RIE được sử dụng rộng rãi trong công nghệ vi điện tử. Trong
hệ diode bản phẳng song song, phiến được giữ bởi điện cực dưới liên kết tụ cao
tần (RF). Điện cực nối đất chính là buồng phản ứng nên có diện tích lớn. Diện
tích nối đất lớn cùng với áp suất làm việc thấp (< 500 mTorr) làm cho phiến bị
bắn phá mạnh bởi các ion năng lượng cao từ plasma, do bề mặt phiến tự phân
cực âm. Tính chọn lọc của hệ thiết bị này tương đối thấp so với hệ ăn mòn dạng
ống tròn truyền thống vì có sự phún xạ vật lý mạnh. Tính chọn lọc có thể được
cải thiện nếu polymer hoá bề mặt silicon bằng polymer fluorocarbon, lúc đó sẽ
xảy ra ăn mòn chọn lọc giữa SiO
2
và Si.
Ăn mòn vật liệu điện môi, đặc biệt là SiO
2
và Si
3
N
4
, là một khâu cơ bản
trong công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn hiện đại. Do vật liệu điện môi có
năng lượng liên kết lớn, việc ăn mòn các vật liệu này đòi hỏi sử dụng plasma
tăng cường bởi ion với hoá chất chứa Flo. Có thể thu được vách ăn mòn thẳng
đứng khi thêm vào hợp chất của F chứa carbon như CF
4
, CHF
3
, C