NGUYỄN DUY KHANH CHẾ TẠO MICROCANTILEVER VÀ ỨNG DỤNG
TRONG PHÁT HIỆN DNA CHỈ THỊ UNG THƯ GAN LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thành phố Hồ Chí Minh - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Thành phố Hồ Chí Minh - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả có được trong luận văn này hoàn toàn là do tôi và
nhóm nghiên cứu thực hiện, không sao chép từ bất cứ tài liệu nào khác. Tất cả các
tài liệu tham khảo, công trình khoa học, sách, bài báo quốc tế… đều được trính
dẫn cụ thể, rõ ràng. Tác giả xin chịu mọi trách nhiệm về luận văn tốt nghiệp này.
Nguyễn Duy Khanh


trên đất nước không chỉ giúp tôi có được kiến thức mà còn cho tôi có được cái
nhìn rộng mở, đa dạng hơn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là Bố của tôi. Bố đã truyền
cho tôi tinh thần, nghị lực và sức chiến đấu của một người lính cụ Hồ. Con đường
tôi đi, dấu chân tôi bước luôn có gia đình, bè bạn, người thân theo dõi, sát cánh
và chia sẻ cùng tôi.
Một lần nữa, xin cảm ơn tất cả mọi người!
Nguyễn Duy Khanh iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN i
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x
MỞ ĐẦU xi
CHƯƠNG I 1
TỔNG QUAN 1
1.1. Microcantilever 1
1.1.1. Tổng quan về microcantilever 1
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của microcantilever 2

2.1.7. Ăn mòn lớp SiO
2
hi sinh để thu được cantilever 29
2.2. Các thiết bị chính cho việc chế tạo và đo đạc 30
2.2.1. Máy quang khắc Suss MJB4 30
2.2.2. Hệ ăn mòn DRIE (Deep Reactive Ions Etching) SAMCO RIE – 200iP
32
2.2.3. Máy đo chiều dày cơ Dektak 150 38
2.2.4. Hệ đo tần số và độ lệch SCALA 38
CHƯƠNG III 41
QUY TRÌNH BIẾN ĐỔI BỀ MẶT ĐỂ GẮN KẾT DNA CHỈ THỊ UNG THƯ
GAN 41
3.1. Tạo đơn lớp phân tử Cysteamine lên thanh dao động phủ vàng 41
3.2. Gắn phân tử GAD lên phân tử Cysteamine 42
3.3. Cố định đơn chuỗi DNA (DNA receptor) lên phân tử Cysteamine 43
3.4. Lai hóa DNA đích (DNA target) vào đơn chuỗi DNA 43
CHƯƠNG IV 46
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46
4.1. Kết quả chế tạo thanh dao động SiN 46
4.1.1. Hình ảnh của chip cantilever đã chế tạo 46
4.1.2. Tần số và chỉ số chất lương (quality factor-QF) của thanh dao động đã
chế tạo 51
4.2. Kết quả thực nghiệm sử dụng microcantilevers phát hiện DNA 55
4.2.1. Tần số và QF của chip cantilever 55
v

4.2.2. Độ dịch chuyển tần số trước và sau khi gắn kết Cysteamine lên thanh
dao động 57
4.2.3. Độ lệch của thanh dao động trước và sau khi gắn kết Cysteamine và
ứng suất của đơn lớp Cysteamine 58

DNA
Deoxyribonucleic acid
DRIE
Deep reactive ion etching
FWHM
Full width half maximum
GAD
Glutaraldehyde
HF
Hydrogen Fluoride
LPCVD
Low Pressure Chemical Vapour Deposition
MEMS
Microelectromechanical systems
NEMS
Nanoelectromechanical systems
PSD
Position Senstive Detector
PVD
Physical Vapour Deposition
QF
Quality Factor
RF
Radio frequency
RIE
Reactive ion etching
SOI
Silicon on insulator
Hình 1.8. Cấu trúc của DNA và các thành phần cấu tạo nên nó.
Hình 2.1. Sơ đồ tóm tắt quy trình chế tạo microSiN Cantilever.
Hình 2.2. Wafer Si với các lớp màng mỏng chuẩn bị cho việc chế tạo tiếp theo.
Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn thời gian đưa khí vào buồng cho việc ăn mòn.
Hình 2.4. Minh họa mặt cắt wafer sau khi ăn mòn lớp SiN mặt trên để tạo hình
thanh dao động.
Hình 2.5. Mô hình quang khắc sử dụng mask 2 để ăn mòn mặt dưới
Hình 2.6. Cấu trúc chip cantilever sau khi đã tạo mask bảo vệ mặt dưới lớp gồm
Al và PR.
Hình 2.7. Cấu trúc chip cantilever sau khi đã ăn mòn lớp SiN ở mặt dưới.
Hình 2.8. Cấu trúc chip cantilever sau khi đã ăn mòn lớp SiO
2
.
Hình 2.9. Cấu trúc của chip cantilever sau khi ăn mòn hết lớp Si từ mặt sau của
đế.
Hình 2.10. Cấu trúc của chip chứa cantilever sau khi đã ăn mòn hết lớp hi sinh
SiO
2
viii

Hình 2.11. Thiết bị quang khắc Suss MJB4 tại LNT.
Hình 2.12. Ba kiểu tiếp xúc cơ bản trong hệ quang khắc.
Hình 2.13. Mô hình thể hiện quá trình thụ động hóa bằng C
4
F
8
và khắc bằng SF
6

trong hệ DRIE

Hình 4.8. Phổ tần số của 8 Cantilever trên cùng một chip một số thanh cho
QF > 20.
Hình 4.9. Phổ tần số của một chip chứa 2 Cantilever.
Hình 4.10. Phổ tần số và QF của một chip chứa 2 Cantilever, với Q
max
= 29.
Hình 4.11. Phổ tần số của chip 1 - 4.
Hình 4.12. Phổ tần số của chip 5 - 10.
Hình 4.13. Phổ tần số của một thanh dao động và cách xác định chỉ số Q.
Hình 4.14. Phổ tần số cộng hưởng của một thanh dao động điển hình trước và
sau khi gắn kết Cysteamine.
Hình 4.15. Độ lệch của 80 microcantilever trước và sau khi gắn Cysteamine.
Hình 4.16. Ứng suất bề mặt của 80 cantilever sau khi gắn đơn lớp phân tử
Cysteamine.
Hình 4.17. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa thời gian bắt cặp DNA và độ lệch
của cantilever.
Hình 4.18. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa độ dịch chuyển tần số khi lai hóa
DNA và nồng độ của DNA target.

x



Ngày nay, microcantilever đang nổi lên là cảm biến với nhiều ứng dụng
trong phát hiện các chất hóa học, sinh học. Nó được xem là cảm biến có dạng các
hệ vi cơ điện tử (MEMS – Microelectromechanical systems) với ít nhất một chiều
có kích thước micro. Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào tần số cộng
hưởng của nó, tần số cộng hưởng cao sẽ cho độ nhạy cao. Tần số cộng hưởng của
micro/nanocantilevers lại phụ thuộc vào kích cỡ, cấu trúc của nó, kích cỡ càng
nhỏ thì tần số càng cao. Như vậy độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào kích
cỡ của nó, kích cỡ càng nhỏ cho độ nhạy càng cao. Tùy thuộc vào mục đích sử
dụng, giới hạn phát hiện khác nhau, microcantilever có thể có các định dạng và
cấu trúc khác nhau. Ở một cấu trúc đơn giản nhất, microcantilever có cấu trúc
thanh hình chữ nhật.
Microcantilever có hai mô hình hoạt động: Mô hình tĩnh và mô hình động.
Ở mô hình tĩnh, microcantilever bị uốn cong do ảnh hưởng của ứng suất bề
mặt hoặc hấp phụ khối lượng hoặc bị ảnh hưởng ở cả hai yếu tố. Dưới đây là hình
ảnh minh họa mô hình uốn tĩnh.

Nếu microcantilever hấp phụ các chất trên toàn thanh, độ lệch của thanh sẽ được
biểu diễn theo công thức:
Z 






Ở đây, Z là độ lệch của thanh, 

là trọng lượng của chấp bị hấp phụ, L là chiều
dài của cantilever, E là modun suất Young, I = w

, dưới đây là một ví dụ về một đồ thị
thể hiện sự dịch chuyển tần số khi cantilever bắt cặp với virut.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của microcantilever dựa trên dịch chuyển tần
số có thể được giải thích như sau: Tần số cộng hưởng ban đầu của microcantilever
là f
0
, khi nó hấp phụ một chất sinh học hay hóa học nào đó sẽ làm cho khối lượng
của nó thay đổi, khối lượng thay đổi sẽ dẫn tới tần số thay đổi. Như vậy, dựa vào
sự thay đổi tần số của microcantilever có thể phát hiện ra được có chất nào bị hấp
phụ trên thanh hay không. Tần số dịch chuyển càng nhiều thì chất hấp phụ /gắn
kết trên thanh càng nhiều và ngược lại.
Microcantilever được ứng dụng rất nhiều trong các ứng dụng phát hiện các
chất sinh học, hóa học. Dưới đây là một số hình ảnh mình họa việc bắt cặp các
chất trên thanh.

xiii

I.P Burg và S.R. Manalis đã báo cáo rằng, những thay đổi về khối lượng trên
cantilever của nhóm chế tạo có thể phát hiện được khối lượng xuống tới 10
-19

g/m
2
. Microcantilever có lớp áp điện có thể phát hiện được độ nhạy nồng độ
xuống tới 10 pg/ml. Bằng việc sử dụng polysilicon nanocantilever hoạt động trong
chân không, B.Ilic và Y.Yang có thể phát hiện được khối lượng 1,5 fg các đơn
virut. Đặc biệt, sử dụng SiN Cantilever để phát hiện DNA, nhóm của B.Ilic và
Y.Yang phát hiện được khối lượng xuống tới 1,65 ag.
Trong nghiên cứu này, tác giả và nhóm nghiên cứu sẽ trình bày kết quả chế

triển nhanh chóng của microcantilever phát triển cùng với sự tiến bộ trong các kĩ
thuật chế tạo micro làm cho nó có độ nhạy hơn và phát hiện chọn lọc hơn. Hình
1.1 bên dưới là một ví dụ thanh dao động micro [1].

Hình 1.1. a) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 340 nm
b) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 57 nm.
Microcantilever có thể được chế tạo ở các định dạng và kích thước khác
nhau, trên một chip có thể chứa một hoặc nhiều thanh dao động. Do kích thước
nhỏ và có thể chế tạo ở nhiều loại định dạng khác nhau nên microcantilever có thể
được tích hợp trong các hệ vi lưu (microfluidics).
2

1.1.2. Nguyên lý hoạt động của microcantilever
Nhìn chung, microcantilever hoạt động ở một trong hai mô hình: Mô hình
động và mô hình tĩnh. Mô hình độ uốn tĩnh là mô hình mà các chất hấp phụ lên
thanh dao động gây ra sự mất cân bằng ứng suất làm cho thanh dao động uốn lên
hoặc uốn xuống. Mô hình động là mô hình mà ở đó các chất gắn kết lên thanh dao
động làm tăng khối lượng của thanh đồng thời giảm tần số cộng hưởng. Cảm biến
dựa trên mô hình thứ nhất là công nghệ đã được sử dụng từ lâu. Cảm biến dựa
trên mô hình thứ hai được ứng dụng ở nhiều mô hình khác nhau cho việc phát
hiện các chất thêm vào có khối lượng siêu nhỏ.
1.1.2.1. Mô hình độ uốn tĩnh
Mô hình uốn tĩnh được sử dụng để xác định khối lượng chất hấp phụ lên bề
mặt thanh dao động. Khối lượng hấp phụ càng nhiều, độ uốn của thanh càng lớn
[2-4]. Độ uốn của thanh là kết quả của hai cơ chế: Khối lượng thêm vào và ứng
suất của thanh khi hấp phụ các chất [5 – 7]. Tuy thế, ứng suất có thể không nhất
thiết phải liên quan tới khối lượng chất bị hấp phụ. Hình 1.2 là mô hình thể hiện
tải trọng trên cantilever.




(1.3)
Một ví dụ mô tả trường hợp này là các chất hấp phụ đều trên bề mặt thanh. Nếu
chỉ một mặt của thanh được hấp phụ, ứng suất sẽ tạo ra ở mặt đó. Sự khác nhau
về ứng suất ở mặt trên và mặt dưới của thanh tạo ra độ uốn mà không phụ thuộc
vào khối lượng chất được hấp phụ. Phương trình Stoney được sử dụng chỉ ra sự
khác nhau trong ứng suất trên mỗi mặt của thanh đối với độ uốn của nó (hình 1.3).






(1.4)
Ở đây, r là bán kính cong của thanh, P là ứng suất gây ra bởi một lớp phủ lên trên
một bề mặt của thanh, t là độ dày của lớp phủ và d là độ dày của thanh. Bán kính
cong R của thanh trong trường hợp bị ảnh hưởng bởi ứng suất ở cả mặt trên và
mặt dưới được cho bởi phương trình sau:








 

Những thay đổi trong ứng suất có thể là kết quả của quá trình hấp phụ các chất
hay tương tác tĩnh điện giữa các phân tử mang điện trên bề mặt cũng như những
thay đổi trong tính kị nước của bề mặt và những thay đổi hình thể của các phân tử
bị hấp phụ.
1.1.2.2. Mô hình động
Hiểu biết cơ bản về cơ chế hoạt động cơ học của cantilever là thiết yếu để
phát triển cảm biến với độ nhậy và hình dáng tối ưu. Độ cứng, tần số cộng hưởng
4

và yếu tố chất lượng sẽ được trình bày trong mục này bằng cách sử dụng phương
trình vi phân Euler-Bernoulli một chiều áp dụng cho thanh dao động đồng nhất,
mỏng và phẳng.










  


















(1.9)
Giả sử rằng thời gian dao động điều hòa phụ thuộc vào một tách biến với w(x,t)
= W(x)T(t) có thể được thực hiện. Đối với trường hợp không có khối lượng thêm
vào, ta có phương trình thể hiện tần số Eigen 

:















Biến thời gian có thể được viết như sau:


















 (1.11)
Phương pháp giải là một hàm của thời gian bằng với mô hình của dao động điều
hòa một chiều với T(t) = 





 





) + c
3
sinh(


) + c
4
cosh(


 (1.13)
5

Các hằng số c
1
, c
2
, c
3
, c
4
là các điều kiện biên:
W(0) = 0,




,

Bằng cách giả sử các điều kiện biên này, ta có:
Cos  cosh  = -1 (1.15)
Với các giá trị 
a
hữu hạn 4 mô hình đầu tiên là:

0
= 1.875, 
1
= 4.69, 
2
= 7.86 và 
3
= 11 (1.16)
Thế các giá trị này vào phương trình (14), tần số cộng hưởng của thanh được cho
bởi:


























(1.19)
với n = 0.24 như tham số hình học cho mô hình cơ bản của thanh dao động hình
chữ nhật dẫn tới m
*
= mn như là khối lượng hiệu dụng và k là độ cứng:
k = 









 (1.20)
Khối lượng thêm vào thanh dao động phân bố đều trên bề mặt thanh có thể được
thể hiện liên quan tới thay đổi tần số bởi:










(1.22)
Chuỗi Taylor bậc một tính đến f
m
= f
0
+  dẫn đến




 





 









 (1.24)
Khả năng phát hiện ra khối lượng nhỏ nhất tương ứng với việc xác định
được thay đổi tần số nhỏ nhất. Bằng cách xem xét tất cả các thông số của vật liệu
tạo thanh là hằng số, chỉ chiều dài của thanh là thay đổi thì để đạt được độ phân
giải khối lượng tốt hơn và như thế độ nhạy khối lượng cao hơn, thanh dao động
cần phải giảm chiều dài. Tuy thế, giảm chiều dài cũng thường đi cùng với giảm
diện tích. Khả năng thứ hai để có thay đổi tần số cao hơn đối với thay đổi khối
lượng là để hệ hoạt động tại mode cao hơn.
7

Một công thức đơn giản thể hiện tần số cộng hưởng của thanh dao động là [9]:












(1.25)
1.1.3. Yếu tố chất lượng (Quality Factor – QF)
Yếu tố chất lượng Q của một microcantilever thể hiện định dạng của phổ
tần số của nó. Theo đó, mỗi một mode tần số cộng hưởng có yếu tố chất lượng


Hình 1.5. Ví dụ về một phổ tần số cộng hưởng và cách xác định yếu tố chất
lượng Q.
Yếu tố chất lượng Q được thể hiện trong dạng của đỉnh tần số cộng hưởng.
Phổ tần số cộng hưởng của đỉnh hẹp hơn thì Q cao hơn.
Trong MEMS và NEMS, yếu tố chất lượng Q cao đồng nghĩa với độ ồn
nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp và độ nhạy cao. Điều này là rất quan trọng không
8

chỉ đối với cảm biến mà còn đối với các máy tạo dao động và bộ lọc trong các
thiết bị xử lý tín hiệu số.
Q của thiết bị cộng hưởng Silic đã được báo cáo là lên tới 10
9
trong môi
trường chân không và nhiệt độ thấp [11]. Như đã chỉ ra trong hình 1.6, các giá trị
giảm khi kích thước giảm từ milimet tới nm. Sự phụ thuộc vào kích thước của Q
làm giảm hiệu suất của thiết bị và đưa ra giới hạn tương lai với các ứng dụng của
NEMS.

Hình 1.6. Mối quan hệ giữa: a, thể tích của thanh dao động với Q
b, độ dày của thanh dao động với Q.
Q còn có thể được định nghĩa như sau:
Q = 



(1.27)
Trong đó, W
0
là năng lượng dao động được lưu trữ và ΔW là tổng năng lượng mất












(1.29)
Q
int
thể hiện cho tất cả ảnh hưởng bởi cấu trúc bên trong của thanh, trong khi đó
Q
ext
bao gồm tất cả các ảnh hưởng từ bên ngoài.
9

1.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Ồn cơ nhiệt là kết quả của microcantilever trong cân bằng nhiệt với môi
trường nó hoạt động. Năng lượng mất mát khi microcantilever hoạt động được
chuyển đổi thành nhiệt. Mối quan hệ giữa mất mát năng lượng và kích thích nhiệt
ngẫu nhiên được thể hiện trong “định lý dao động – mất mát” của cơ học thống
kê. Kết quả là nếu yếu tố chất lượng Q thấp thì độ ồn nhiệt lớn. Bình phương biên
độ dao động liên quan tới mode dao động tại nhiệt độ T có thể được xác định từ
định lý cân bằng năng lượng chỉ ra trong phương trình dưới đây:




= 2

là tần số góc của cantilever. Đối với cantilever dạng hình chữ
nhật, khả năng phát hiện lực nhỏ nhất được thể hiện bằng phương trình sau đây:
F
min
=
















(1.32)
L, w, và t lần lượt là chiều dài, chiều rộng và độ dày của cantilever. E là môđun
Young, là khối lượng riêng của vật liệu tạo cantilever.
Tương tự, độ lệch được cho bởi:



10
các phân tử trên 1 mm
2
mới có thể phát hiện được
10

độ uốn của thanh [13]. Đây cũng là bằng chứng để chứng tỏ rằng các phân tử hấp
phụ không đều trên thanh có thể sẽ không đủ tạo ra ứng suất để uốn thanh cong
[14]. Tuy thế, các thiết bị cảm biến siêu nhạy cần phải được hoạt động trong chân
không để tránh mất mát năng lượng thì mới có thể phát hiện được nồng độ hay
khối lượng các chất rất nhỏ.
Mặc dù các thiết bị cảm biến dựa trên cộng hưởng có độ nhay cao hơn các
thiết bị cảm biến dựa trên độ lệch nhưng cảm biến dựa trên độ lệch lại có lợi thế
là nó có thể hoạt động tốt trong môi trường lỏng. Cảm biến dựa trên độ lệch cho
phép xác định được độ lệch trong thời gian thực trong quá trình các chất gắn kết
lên thanh trong môi trường lỏng. Tuy thế, gần đây cảm biến cộng hưởng đã có
những tiến bộ đó là cải thiện được độ nhạy của thiết bị trong môi trường lỏng. Kết
quả chỉ ra rằng yếu tố chất lượng cao hơn đối với các mode cộng hưởng cao hơn
cho thấy đã có những cải thiện đối với các thiết bị hoạt động trong môi trường
lỏng [15]. Tần số cộng hưởng cao hơn cùng với các mode cao hơn cũng giúp giảm
tải thủy động học của các cảm biến và điều này cho phép tăng độ nhạy.
Đối với các ứng dụng lab-on-a-chip, cảm biến dựa trên độ lệch có thể được
sử dụng nhưng sẽ yêu cầu một số điều kiện khác. Do độ nhạy của các cantilever
dựa trên độ lệch tỉ lệ với bình phương chiều dài nên có thể thiết kế chiều dài
cantilever dài hơn.
1.1.5.2. Tín hiện trên nhiễu
Các quá trình hóa học và các dao động của cantilever có một phạm vi nhiễu
ảnh hưởng đáng kể tới độ nhạy của cantilever. Một số ảnh hưởng nhiễu là do
những dao động trong các thành phần cơ học nhưng hệ phát hiện trong nhiều
trường hợp có thể là nguồn nhiễu đáng kể. Chẳng hạn trong các hệ đo bằng quang