Thiết kế nền tảng Biosensing quang học dựa trên cấu trúc nano điện môi - kim loại - điện môi
Nghiên cứu do các tác giả Phạm Đình Đạt, Phạm Tiến Thành - Trường Đại học Việt Nhật (VJU), Đại học Quốc gia Hà Nội (VNU) thực hiện.
Hiện nay, có thể chia các chip sinh học được sử dụng rộng rãi làm 3 loại chính: chip sinh học sử dụng tín hiệu quang học (Optical biosensors); chip sinh học sử dụng tín hiệu điện (Electrical biosensors); chip sinh học sử dụng tính chất cơ (Mechanical biosensors). Chip sinh học sử dụng tín hiệu quang học là loại chip nhận biết lớp sinh học dựa trên sự thay đổi của các đặc tính quang học như phản xạ, truyền qua, phát quang khi trên bề mặt có thêm các lớp sinh học như protein (biotin, avidin) hoặc các virus... Do đó, các cấu trúc được áp dụng trong các chip sinh học loại này thường có độ nhạy cao với sự thay đổi của môi trường xung quanh cấu trúc, ví dụ như sự thay đổi về chiết suất. Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng trong chế tạo chip sinh học loại này như phương pháp đánh dấu huỳnh quang, phương pháp sử dụng chất bán dẫn, phương pháp sử dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Trong đó, phương pháp sử dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt đã được nhiều nhóm tiến hành nghiên cứu và phát triển.
Một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đang phát triển các chip sinh học dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt như SPR và LSPR (hiện tượng cộng hưởng cục bộ). Hiện tượng plasmon bề mặt là sự dao động của các điện tử tự do ở bề mặt vật liệu khi bị tác động của ánh sáng kích thích. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích trùng với tần số dao động của electron bề mặt. Một phương pháp phổ biến được sử dụng để kích hoạt hiện tượng này là phương pháp phản xạ toàn phần bên trong ATR (Attenuated Total Reflection).
Khi hiện tượng SPR xảy ra, đặc tính quang học tại bước sóng xảy ra SPR rất nhạy với sự thay đổi chiết suất ở bề mặt xung quanh. Các nhóm nghiên cứu đã lợi dụng tính chất này để phát triển các loại chip sinh học. Nhiều bộ sản phẩm chip sinh học sử dụng hiện tượng SPR có độ nhạy cao khoảng 0,003 ng/mm-2 đã được bán trên thị trường. Tuy vậy, chip sinh học sử dụng hiện tượng SPR có nhược điểm là cấu tạo phức tạp, đặc biệt là hệ thống xử lý quang học cần có một thấu kính (prism) để kích thích xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Để nâng cao độ nhạy cũng như đơn giản hóa quá trình chế tạo các loại chip sinh học này, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Kajikawa đã sử dụng cấu trúc nano MIMđể phát triển chip sinh học. Cấu trúc MIM có kích thước 200-500 nm với kích thước từng lớp 20-100 nm. Độ nhạy của chip sinh học sử dụng phương pháp này khoảng 9-40 pg/mm-2, tương đương với độ nhạy của chip sinh học sử dụng phương pháp ATR. Tuy nhiên, cấu trúc của chip sinh học đơn giản hơn do cấu trúc MIM không cần sử dụng đến thấu kính (prism) để kích hoạt hiện tượng SPR.
Nghiên cứu này tiến hành phân tích đặc tính quang học của cấu trúc nano IMI thông qua việc tính toán về độ phản xạ, truyền qua khi ánh sáng đi vào cấu trúc IMI. Tương tự như cấu trúc MIM, khi có kích thích của ánh sáng với bước sóng thích hợp, hiện tượng SPR cũng sẽ xảy ra trong cấu trúc IMI. Ở cấu trúc IMI, vật liệu điện môi cho phép gắn các lớp phần tử sinh học lên bề mặt một cách đơn giản. Ưu điểm này rất quan trọng trong việc phát triển chip sinh học. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc IMI, các đặc tính quang học như phản xạ và truyền qua sẽ có sự thay đổi lớn khi môi trường chiết suất xung quanh thay đổi. Từ đó, nghiên cứu đề xuất cấu trúc phù hợp nhằm ứng dụng vào chip sinh học có độ nhạy cao.
Nghiên cứu đã tính toán và phân tích các đặc tính quang học như độ truyền qua, độ phản xạ của cấu trúc IMI, cũng như cấu trúc IMI - lớp sinh học. Từ kết quả phổ phản xạ của cấu trúc IMI thấy rằng, cấu trúc IMI có thể ứng dụng vào việc chế tạo chip sinh học với độ nhạy ∆S khoảng 6 (%/nm) với cấu trúc: I (MoO3-30 nm) - M (Ag-8 nm) - I (MoO3-30 nm). Độ nhạy ∆S của cấu trúc IMI cao hơn các loại chip sinh học sử dụng phương pháp ATR, SPR, LSPR và tương đương với phương pháp sử dụng cấu trúc MIM, tuy nhiên khi sử dụng cấu trúc IMI dễ dàng quan sát sự thay đổi của phổ phản xạ (do độ phản xạ của cấu trúc lớn) hơn khi sử dụng cấu trúc MIM. Cấu trúc thực tế ứng dụng vào chip sinh học sẽ được chế tạo và báo cáo trong thời gian tới.
nthang
Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam - Tập 63 - Số 6 - Tháng 6/2021 (nthang)