Thiết kế nền tảng Biosensing quang học dựa trên cấu trúc nano điện môi - Kim loại - điện môi

Nội dung text: Thiết kế nền tảng Biosensing quang học dựa trên cấu trúc nano điện môi - Kim loại - điện môi

1. DOI: 10.31276/VJST.63(6).01-05 Khoa học Tự nhiên Thiết kế nền tảng Biosensing quang học dựa trên cấu trúc nano điện môi - kim loại - điện môi Phạm Đình Đạt, Phạm Tiến Thành* Trường Đại học Việt Nhật (VJU), Đại học Quốc gia Hà Nội (VNU) Ngày nhận bài 8/2/2021; ngày chuyển phản biện 22/2/2021; ngày nhận phản biện 6/4/2021; ngày chấp nhận đăng 12/4/2021 Tóm tắt: Cấu trúc chất điện môi - kim loại - chất điện môi (IMI) là một cấu trúc tiềm năng trong thiết kế nền tảng cảm biến sinh học bởi các đặc tính quang học ưu việt, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng bề mặt (SPR). Trong nghiên cứu này, đặc tính quang học của cấu trúc IMI trong dải bước sóng nhìn thấy được tính toán bằng phương pháp transfer matrix. Kết quả chỉ ra rằng, cấu trúc IMI có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng thích hợp do hiệu ứng SPR trong cấu trúc. Hiện tượng SPR này được hình thành do sự kết hợp giữa ánh sáng tới và các điện tử tự do của lớp kim loại trong cấu trúc. Đặc điểm đỉnh tín hiệu của hiện tượng SPR phụ thuộc vào độ dày của các lớp và môi trường chiết suất xung quanh cấu trúc IMI. Dựa vào các kết quả tính toán nêu trên, cấu trúc IMI ứng dụng cho chip sinh học đã được thiết kế và tối ưu hóa từ đặc tính quang học. Bên cạnh đó, các kết quả tính toán độ nhạy chỉ ra rằng, cấu trúc IMI có độ nhạy cao hơn chip sinh học sử dụng phương pháp phản xạ toàn phần (ATR), SPR và tương đương với phương pháp sử dụng cấu trúc kim loại - chất điện môi - kim loại (MIM). Từ khóa: ATR, cấu trúc nano chất điện môi - kim loại - chất điện môi, SPR. Chỉ số phân loại: 1.3 Đặt vấn đề 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. Hiện nay, có thể chia các chip sinh học được sử dụng rộng Các nhóm nghiên cứu đã lợi dụng tính chất này để phát triển các rãi làm 3 loại chính: chip sinh học sử dụng tín hiệu quang học loại chip sinh học. Nhiều bộ sản phẩm chip sinh học sử dụng hiện (Optical biosensors); chip sinh học sử dụng tín hiệu điện (Electrical tượng SPR có độ nhạy cao khoảng 0,003 ng/mm-2 đã được bán trên biosensors); chip sinh học sử dụng tính chất cơ (Mechanical thị trường [9]. Tuy vậy, chip sinh học sử dụng hiện tượng SPR có biosensors) [1]. Chip sinh học sử dụng tín hiệu quang học là loại nhược điểm là cấu tạo phức tạp, đặc biệt là hệ thống xử lý quang chip nhận biết lớp sinh học dựa trên sự thay đổi của các đặc tính học cần có một thấu kính (prism) để kích thích xảy ra hiện tượng quang học như phản xạ, truyền qua, phát quang khi trên bề mặt có phản xạ toàn phần. Để nâng cao độ nhạy cũng như đơn giản hóa thêm các lớp sinh học như protein (biotin, avidin) hoặc các virus quá trình chế tạo các loại chip sinh học này, nhóm nghiên cứu của Do đó, các cấu trúc được áp dụng trong các chip sinh học loại Giáo sư Kajikawa đã sử dụng cấu trúc nano MIM để phát triển này thường có độ nhạy cao với sự thay đổi của môi trường xung chip sinh học [10-12]. Cấu trúc MIM có kích thước 200-500 nm quanh cấu trúc, ví dụ như sự thay đổi về chiết suất. Nhiều phương với kích thước từng lớp 20-100 nm. Độ nhạy của chip sinh học sử pháp khác nhau đã được sử dụng trong chế tạo chip sinh học loại dụng phương pháp này khoảng 9-40 pg/mm-2, tương đương với độ này như phương pháp đánh dấu huỳnh quang, phương pháp sử nhạy của chip sinh học sử dụng phương pháp ATR [13]. Tuy nhiên, dụng chất bán dẫn, phương pháp sử dụng hiệu ứng cộng hưởng cấu trúc của chip sinh học đơn giản hơn do cấu trúc MIM không plasmon bề mặt [2-5]. Trong đó, phương pháp sử dụng hiệu ứng cần sử dụng đến thấu kính (prism) để kích hoạt hiện tượng SPR. cộng hưởng plasmon bề mặt đã được nhiều nhóm tiến hành nghiên cứu và phát triển. 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 Một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đang phát triển các chip khi ánh sáng đi vào cấu trúc IMI. Tương tự như cấu trúc MIM, khi sinh học dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt như có kích thích của ánh sáng với bước sóng thích hợp, hiện tượng SPR và LSPR (hiện tượng cộng hưởng cục bộ) [6-9]. Hiện tượng SPR cũng sẽ xảy ra trong cấu trúc IMI. Ở cấu trúc IMI, vật liệu plasmon bề mặt là sự dao động của các điện tử tự do ở bề mặt vật điện môi cho phép gắn các lớp phần tử sinh học lên bề mặt một liệu khi bị tác động của ánh sáng kích thích. Hiện tượng cộng hưởng cách đơn giản. Ưu điểm này rất quan trọng trong việc phát triển plasmon bề mặt xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích trùng với chip sinh học. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc IMI, các đặc tính tần số dao động của electron bề mặt [8]. Một phương pháp phổ quang học như phản xạ và truyền qua sẽ có sự thay đổi lớn khi môi biến được sử dụng để kích hoạt hiện tượng này là phương pháp trường chiết suất xung quanh thay đổi. Từ đó, nghiên cứu đề xuất phản xạ toàn phần bên trong ATR (Attenuated Total Reflection). cấu trúc phù hợp nhằm ứng dụng vào chip sinh học có độ nhạy cao. *Tác giả liên hệ: Email: pt.thanh@vju.ac.vn 63(6) 6.2021 1
2. Khoa học Tự nhiên Kết quả và thảo luận Designing a new optical Đặc tính truyền qua, phản xạ trong cấu trúc IMI biosensing platform based Đặc tính truyền qua, phản xạ được tính toán trong 3 cấu trúc on an insulator-metal-insulator kim loại (M), kim loại - chất điện môi (IM), chất điện môi - kim loại - chất điện môi (IMI) như trong hình 1. Các thông số sử dụng nanostructure trong tính toán như vật liệu, độ dày và chiết suất của các lớp trong cấu trúc I, IM, IMI được thể hiện ở bảng 1. MoO được sử dụng Dinh Dat Pham, Tien Thanh Pham* 3 làm chất điện môi trong cấu trúc IMI do nó có chiết suất cao Vietnam-Japan University (VJU), (khoảng 2,1). Sự khác biệt lớn giữa chiết suất của lớp phần tử sinh Vietnam National University, Hanoi (VNU) học ở trên lớp MoO3 và lớp MoO3 dẫn đến thay đổi rõ ràng trong phổ phản xạ khi có và không có lớp phần tử sinh học. Các kim loại Received 8 February 2021; accepted 12 April 2021 được sử dụng để tính toán gồm vàng (Au) và bạc (Ag) là các kim Abstract: loại ổn định về mặt hóa học và đặc tính quang học. The insulator-metal-insulator (IMI) structure is potential for the fabrication of biosensor platform devices because of its unique optical properties, especially surface plasmon resonance (SPR). In this study, the optical properties of the IMI structure in the visible wavelength range were calculated using the transfer matrix method. The results indicated that the IMI structure exhibited high absorbance at the proper wavelength due to the SPR. This HìnhHình 1.1. CCấuấu trúc trúc kim lokimại (20 loại nm) (M) (20, k imnm) loại (M),(20 nm) kim - chấ tloại điện môi(20 (50 nm) nm) (MI),- chất chấ tđiện điện môi môi (50 (50 nm) phenomenon was resulted from the resonance of incident nm) - kim loại (20 nm) - chất điện môi (50 nm) (IMI). (MI), chất điện môi (50 nm) - kim loại (20 nm) - chất điện môi (50 nm) (IMI). light and the free electrons in the metal surface. The SPR Kết quả tính toán đặc tính truyền qua và phản xạ bằng phương pháp signal relied on the thickness of layers in the IMI structure transferKết quảmatrix tính khi ánhtoán sáng đặc đi vàotính cấ utruyền trúc M, quaIM, IMIvà phản(với kim xạ lo ạbằngi là Ag phương) and the refractive index of the surrounding medium. pháptrong transfer khoảng bư matrixớc sóng tkhiừ 300 ánh đến sáng800 nm đi đư vàoợc bi ểcấuu di ễtrúcn trong M, hình IM, 2A IMIvà (với 2B. Độ dày của các lớp và thông số tính toán như bảng 1. Trong hình 2A, lần Based on calculation results, the IMI structure applied for kimlượ tloại đường là màu Ag) đ ỏtrong, màu xanh khoảng và màu bước đen tương sóng ứng từ v ớ300i phổ đếntruyề n800 qua nmkhi được the biosensor was designed and optimised with respects biểuánh sángdiễn đi trongqua cấu hìnhtrúc M, 2A cấu trúcvà IM2B. và cĐộấu trúc dày IMI. của Vớ i cáccấu trúc lớp là đơnvà lthôngớp số to optical properties. In addition, sensitivity calculation tínhkim toán loại, đnhưộ truy bảngền qua 1.giả mTrong dần theo hình chiề u2A, tăng lần của đlượtộ lớn đườngbước sóng màu và ph đỏ,ổ màu demonstrated that IMI structure was more sensitive than xanhtruyề nvà qua màu không đen cho thtươngấy đỉnh ứng phổ nàovới khác phổ ngoài truyền đỉnh c ủquaa Ag khiở bư ớánhc sóng sáng đi 320 nm. Tuy nhiên trong cấu trúc IM cũng như IMI, có thể thấy rõ được đỉnh biosensor based on attenuated total reflection (ATR), quaph ổcấu trong trúc phổ truyM,ề ncấu qua trúccấu trúc IM này và khác cấu vớ itrúc cấu trúc IMI. đơn Vớilớp kim cấu loạ trúci. Đặc là đơn SPR method while similar results were attained with the lớpbi ệkimt trong loại, cấu trúc độ IMI, truyền có thể quaquan giảmsát đượ cdần đỉnh theophổ ở khochiềuảng bưtăngớc 580 của nm độ lớn metal-insulator-metal (MIM) structure method. bướcvới đ ộsóng truyề nvà qua phổ xấp x truyềnỉ 75%, lớ nqua gấp 3không lần so v ớchoi cấu thấytrúc đơn đỉnh lớp kim phổ loạ inào và khác ngoài2 lần sođỉnh với ccủaấu trúc Ag IM ở ởbước cùng bưsóngớc sóng. 320 Trong nm. khi Tuy đó, cnhiênấu trúc IMItrong có đcấuộ trúc Keywords: ATR, insulator-metal-insulator nanostructure, IMdày cũng là 120 như nm, lIMI,ớn hơn có nhi ềthểu đ ộthấy dày c ủrõa c đượcấu trúc Mđỉnh (20 nm)phổ và trong cấu trúc phổ IM. truyền Cấu trúc IMI có 2 bề mặt tiếp xúc giữa 2 lớp chất điện môi (MoO ) và kim loại SPR. qua cấu trúc này khác với cấu trúc đơn lớp kim loại.3 Đặc biệt trong Ag, lớp MoO3 có độ dày 50 nm (độ dày này nhỏ hơn 1/4 bước sóng của ánh Classification number: 1.3 cấusáng trúc đi vào) IMI, với cóchiế tthể suấ t quan từ 2.1. sátDo đóđược lớp đi đỉnhện môi phổ đóng ởvai khoảng trò như lớ pbước làm sóng 580giả mnm ph ảvớin xạ ,độ và tăngtruyền độ truy quaền quaxấp ở xỉbư ớ75%,c sóng thíchlớn gấphợp v 3ới lầnđộ dày so, dvớio hi ệcấun trúc đơntượ nglớp giao kim thoa loạigiữa ánhvà sáng 2 lần phả nso xạ ởvới lớp cấukim lo trúcại và lIMớp đi ệởn môi.cùng Bên bước cạnh sóng. Trongđó, độ khichênh đó, lệch cấu chiế ttrúc suất ởIMI bề m ặcót c ủđộa lớ pdày Ag vàlà MoO1203 lànm, rất llớnớn, do hơn đó đ ỉnhiềunh độ của hiện tượng SPR ở bề mặt lớp Ag dịch chuyển về phía bước sóng dài. Do đó Phương pháp nghiên cứu dàyđỉnh của phổ cấutruyề ntrúc qua Mcủa (20cấu trúc nm) IMI và nằ mcấu ở kho trúcảng IM.bước Cấusóng 580trúc nm IMI so v ớcói 2 bề mặt tiếp xúc giữa 2 lớp chất điện môi (MoO3) và kim loại Ag, lớp Đặc tính quang học như truyền qua và phản xạ khi ánh sáng đi 5 MoO 3 có độ dày 50 nm (độ dày này nhỏ hơn 1/4 bước sóng của vào cấu trúc đa lớp IMI được tính toán bằng phương pháp transfer ánh sáng đi vào) với chiết suất từ 2,1. Do đó lớp điện môi đóng matrix [14, 15]. Cùng với đó, sự thay đổi của phổ truyền qua, phản vai trò như lớp làm giảm phản xạ, và tăng độ truyền qua ở bước xạ của cấu trúc IMI và lớp phần tử sinh học cũng được tính toán sóng thích hợp với độ dày, do hiện tượng giao thoa giữa ánh sáng bằng phương pháp tương tự. Việc so sánh và phân tích sự khác phản xạ ở lớp kim loại và lớp điện môi. Bên cạnh đó, độ chênh lệch nhau của đặc tính quang học khi có và không có lớp phần tử sinh chiết suất ở bề mặt của lớp Ag và MoO3 là rất lớn, do đó đỉnh của học cũng được thực hiện nhằm tối ưu hóa cấu trúc IMI và đánh giá hiện tượng SPR ở bề mặt lớp Ag dịch chuyển về phía bước sóng dài. Do đó đỉnh phổ truyền qua của cấu trúc IMI nằm ở khoảng độ nhạy của nó khi ứng dụng vào việc chế tạo chip sinh học. Quy bước sóng 580 nm so với 320 nm của Ag. Ngược lại với xu hướng trình được thực hiện như sau: (1) Tính toán đặc tính truyền qua và ở phổ truyền qua trong hình 2A, phổ phản xạ ở hình 2B cho thấy phản xạ trong cấu trúc IMI, (2) Tính toán đặc tính quang học phản độ truyền qua tương ứng với các cấu trúc M, IM, IMI có sắp xếp xạ trong cấu trúc IMI và lớp phần tử sinh học, (3) Tối ưu hóa cấu giảm dần. Độ phản xạ ở cấu trúc IMI nhỏ nhất khoảng 19% tại trúc IMI ứng dụng vào chip sinh học. bước sóng 595 nm. 63(6) 6.2021 2
3. Khoa học Tự nhiên Bảng 1. Các thông số sử dụng trong tính toán. Tương tự như trên, khi thay lớp kim loại Ag bằng Au cũng thu Các lớp Vật liệu Độ dày (nm) Chiết suất được phổ truyền qua hoặc phản xạ tương tự như trong trường hợp Lớp 1 (Layer 1(I)) MoO3 50 2,1~2,15 với Ag. Từ kết quả tính toán nêu trên có thể thấy rằng, đặc tính Lớp 2 (Layer 2(M)) Au/Ag 20 Theo bước sóng của phổ truyền qua hoặc phổ phản xạ của cấu trúc IMI phụ thuộc Lớp 3 (Layer 3(I)) MoO3 50 2,1~2,15 vào độ dày và chiết suất của lớp điện môi. Độ dày của lớp kim loại Đế kính SiO2 - 1,5 hầu như chỉ ảnh hưởng đến độ truyền qua. Khi độ dày lớp kim loại Không khí - - 1 tăng thì độ truyền qua cấu trúc IMI sẽ giảm và độ phản xạ sẽ tăng. Dựa vào các đặc tính trên, khi có lớp sinh học mỏng (Biolayer) được gắn vào bề mặt cấu trúc IMI, dự đoán sẽ có sự thay đổi trong phổ phản xạ và truyền qua, đặc biệt là phổ phản xạ. Đặc tính này có tiềm năng được áp dụng trong chế tạo chip sinh học. Phần tiếp theo sẽ khảo sát sự thay đổi của phổ phản xạ khi có lớp sinh học gắn trên bề mặt IMI. Đặc tính phản xạ trong cấu trúc IMI - lớp sinh học (Biolayer) học. Phần tiếp theo sẽ khảo sát sự thay đổi của phổ phản xạ khi có lớp sinh học Để xem cấu trúc IMI có thể ứng dụng vào việc chế tạo chip gắn trên bề mặt IMI. sinh học hay không, cần tiến hành đánh giá sự thay đổi đặc tính Hình 2. Kết quả tính toán phổ truyền qua (A) và kết quả phổ phản xạ (B) phản xạ củaĐặc cấutính trúcphản IMIxạ trong khi ccóấu lớp trúc sinh IMI -học lớp gắnsinh vàohọc (Biolayer)bề mặt của trong 3 cấu trúc: M, IM, IMI. nó (hình Đ4A).ể xem Trên cấu thựctrúc IMI tế, đểcó thđánhể ứng giá dụ ngđộ và nhạyo việ ccủa ch ếphương tạo chip phápsinh h ọc hay Để khảo sát sự thay đổi phổ truyền qua của cấu trúc IMI khi haykhông cấu trúc, cần tiứngến hành dụng đánh cho giá chip sự thay sinh đổ ihọc, đặc tínhcác phnhómản xạ cnghiênủa cấu trúccứu IMI khi độ dày của các lớp trong cấu IMI thay đổi, hai trường hợp đã được thườngcó lớ sửp sinh dụng họ cđánh gắn vàogiá bđộề mnhạyặt củ vớia nó Biotin(hình 4A và). Avidin. Trên thự Độc tế ,dày để đánh của giá độ tính toán gồm: (1) Giữ nguyên độ dày lớp kim loại (lớp 2) là 8 nm lớp nhBiotinạy củ avà phư Avidinơng pháp này haykhoảng cấu trúc2 nm. ứng dụng cho chip sinh học, các nhóm nghiên cứu thường sử dụng đánh giá độ nhạy với Biotin và Avidin. Độ dày của và thay đổi độ dày lớp MoO3 là 50, 100, 200 nm (độ dày lớp 1 và lĐểớp Biotinkhảo vàsát Avidin đặc tính này khophảnảng xạ 2 nm.của cấu trúc IMI - lớp sinh học lớp 3 bằng nhau, tạo thành cấu trúc đối xứng); (2) Giữ nguyên độ và đánh giá khả năng ứng dụng vào việc chế tạo chip sinh học, dày lớp kim loại (lớp 2) là 8 nm, lớp MoO thứ 1 là 50 nm và thay Để khảo sát đặc tính phản xạ của cấu trúc IMI - lớp sinh học và đánh giá 3 đặc tính phản xạ được tính dựa trên mô hình lớp sinh học (Avidin- đổi độ dày lớp MoO (lớp 3) là 50, 100, 500 nm. Trong trường hợp khả năng ứng dụng vào việc chế tạo chip sinh học, đặc tính phản xạ được tính 3 biotin) với độ dày 2 nm gắn trên bề mặt cấu trúc IMI. Chiết suất dựa trên mô hình lớp sinh học (Avidin-biotin) với độ dày 2 nm gắn trên bề mặt này cấu trúc IMI là bất đối xứng. của lớp này giả định trong tính toán là 1,5. cấu trúc IMI. Chiết suất của lớp này giả định trong tính toán là 1,5. Đối với trường hợp thứ nhất, kết quả phổ truyền qua tương ứng với cấu trúc IMI được biểu diễn trong hình 3A. Có thể thấy rằng khi độ dày của lớp 1 và 3 tăng lên, đỉnh phổ truyền qua rõ ràng hơn mặc dù độ truyền qua không thay đổi nhiều (độ truyền qua trong khoảng 90%). Trong trường hợp lớp MoO3 có độ dày 200 nm, có hai đỉnh phổ là 440 và 600 nm. Đỉnh thứ 2 của hiện tượng SPR có xu thế chuyển dịch về phía bước sóng ngắn khi độ dày của lớp điện môi tăng lên. Đối với trường hợp thứ 2, kết quả phổ truyền qua cấu trúc IMI được biểu diễn trong hình 3B. Khi giữ nguyên độ dày lớp Ag và lớp MoO3 thứ 1 trong khi thay đổi độ dày lớp MoO3 thứ 3, đỉnh phổ truyền qua dần rõ ràng hơn có xu hướng dịch chuyển HìnhHình 4. 4Cấu. Cấu trúc IMI IMI - Biolayer - Biolayer (2 nm) (A)(2 ;nm) cấu trúc (A); M -cấu Biolayer trúc (B) M. - Biolayer (B). về phía bước sóng lớn hơn. Cụ thể, đỉnh phổ chuyển dịch từ bước Đặt R là độ phản xạ của cấu trúc khi không có lớp sinh học và R là độ sóng 410 tới 490 nm tương ứng với sự tăng độ dày lớp MoO từ Đặt R là độ0 phản xạ của cấu trúc khi không có lớp sinh học và 1 3 phản xạ0 của cấu trúc khi có lớp sinh học. Tỷ lệ R=100*R /R được sử dụng để 100 lên 150 nm. ∆1 0 R1 làđánh độ phảngiá kh xạả năng của ứ cấung d trúcụng ckhiủa ccóấu lớptrúc sinhđược học. tính toánTỷ lệ cho R=100*R chip sinh h1ọ/c. R0 được sử dụng để đánh giá khả năng ứng dụng của cấu trúc được tính toán choĐặc tínhchip ph sinhổ ph học.ản xạ của cấu trúc IMI, IMI - lớp sinh học được chỉ ra trong hình 5A. Đường màu đen chỉ phổ phản xạ của cấu trúc IMI khi không có l ớĐặcp sinh tính học phổvà đư phảnờng màu xạ đcủaỏ ch cấuỉ ph ổtrúc phả nIMI, xạ củ IMIa cấu -trúc lớp IMI sinh - l ớhọcp sinh học. đượcĐ ộchỉ dày ra củ tronga các l ớhìnhp vậ t 5A.liệu đưĐườngợc thi ếmàut lập nhưđen sau chỉ: lphổớp 1 phản(MoO 3xạ) 80 của nm, lớp 2 cấu trúc IMI khi không có lớp sinh học và đường màu đỏ chỉ phổ 8 phản xạ của cấu trúc IMI - lớp sinh học. Độ dày của các lớp vật liệu được thiết lập như sau: lớp 1 (MoO3) 80 nm, lớp 2 (kim loại Ag) 8 nm, lớp 3 (MoO3) 30 nm, lớp sinh học (Biolayer) 2 nm. Kết quả phổ phản xạ chỉ ra sự khác nhau giữa trường hợp có và không có lớp sinh học. Tỷ lệ ∆R được tính toán như trong hình 5B. Độ nhạy ∆ Hình 3. Phổ truyền qua của cấu trúc IMI: kim loại (Ag) 8 nm, các lớp của cấu trúc được tính bằng S=100-100*R1/R0, độ nhạy càng lớn MoO3 lần lượt là 50, 100, 200 nm (A); phổ truyền qua của cấu trúc IMI (B). thì khả năng nhận biết các phần tử sinh học càng tốt [10]. Tại bước 63(6) 6.2021 3
4. Khoa học Tự nhiên sóng khoảng 490 nm, sự thay đổi độ phản xạ của cấu trúc IMI có sáng khi đi vào cấu trúc IMI sẽ nhỏ, việc quan sát sự thay đổi độ và không có lớp sinh học là khoảng 10% đối với độ dày 2 nm của phản xạ theo độ dày tương đối khó. Do đó, độ dày của lớp Au sử lớp sinh học. Khi đó, độ dày 1 nm của lớp sinh học gắn trên IMI dụng để tính toán là 15, 20, 30 nm. Bên cạnh đó, độ dày của lớp như trên dẫn đến độ thay đổi của độ phản xạ là 5%/nm, đây được MoO3 lần lượt thay đổi từ 50 đến 150 nm. Bảng 2 là kết quả tổng gọi là độ nhạy (∆S) của cấu trúc IMI có độ dày như trên. Kết quả hợp độ nhạy của cấu trúc IMI theo độ dày các lớp. tính toán cho thấy, việc thay đổi độ dày các lớp MoO3 và độ dày Bảng 2. Độ nhạy ∆S(=100-100*R1/R0) của cấu trúc IMI khi độ dày các lớp của lớp kim loại sẽ dẫn đến thay đổi độ nhạy của cấu trúc IMI. thay đổi và độ dày lớp sinh học 2 nm. Lớp 3 Lớp 2 Lớp 1 Bước sóng ΔS (%/nm) d3 (nm) d2 (nm) d1 (nm) đỉnh phổ λ (nm) 50 15 50 579 - 100 15 100 470 1,4 150 15 150 540 1,35 50 20 50 520 - 100 20 100 490 1,3 150 20 150 525 1.15 50 30 50 490 - 100 30 100 485 1,1 Hình 5. Phổ phản xạ của cấu trúc IM(Ag)I, IM(Ag)I - lớp sinh học (A); tỷ 150 30 150 520 0,85 lệ ∆R=100*R /R (B). 1 0 Đối với những cấu trúc không có kết quả độ nhạy ∆S thì độ Kết quả phổ phản xạ của cấu trúc IMI với lớp vật liệu kim phản xạ tại bước sóng đỉnh phổ nhỏ hơn 5%. Từ kết quả ở bảng 2 có thể thấy độ nhạy ∆S của cấu trúc IMI khi sử dụng Au vào loại là Au và độ dày của 2 lớp MoO3 được chỉ ra trong hình 6A: I (50 nm) M (Au-15 nm) I (30 nm) - lớp sinh học (2 nm). Tương khoảng từ 1,4~2 (%/nm). tự như trường hợp nêu trên, cấu trúc IMI sử dụng lớp kim loại Au Lớp kim loại là Ag: để so sánh với kim loại Au, tính toán độ cũng cho thấy sự khác nhau rõ ràng của phổ phản xạ của cấu trúc nhạy ∆S của cấu trúc IMI có độ dày của lớp Ag lần lượt là 8, 10, IMI trong trường hợp có và không có lớp sinh học. Từ hình 6B, 15, 20 nm và độ dày của lớp MoO3 lần lượt thay đổi từ 50 đến 150 tại bước sóng khoảng 500 nm, sự thay đổi độ phản xạ của cấu trúc nm. Bảng 3 là kết quả tổng hợp độ nhạy của cấu trúc IMI khi độ IMI có và không có lớp sinh học là khoảng 4% (được tính bằng dày các lớp thay đổi. ∆ S=100-100*R1/R0). Đối với độ dày 1 nm của lớp sinh học gắn Bảng 3. Độ nhạy ∆S(=100-100*R1/R0) của cấu trúc IMI khi độ dày các lớp trên IMI sẽ dẫn đến sự thay đổi của độ phản xạ là 2%/nm, đây là thay đổi. độ nhạy của cấu trúc IMI nêu trên với kim loại là Au. Lớp 3 Lớp 2 Lớp 1 Bước sóng ΔS (%/nm) d3 (nm) d2 (nm) d1 (nm) đỉnh phổ λ (nm) 50 8 50 680 - 100 8 100 425 4 150 8 150 550 4,5 50 10 50 650 - 100 10 100 424 - 150 10 150 532 - 50 15 50 610 - 100 15 100 410 - 150 15 150 508 - 50 20 50 587 2,6 Hình 6. Phổ phản xạ của cấu trúc IM(Au)I, IM(Au)I - lớp sinh học (A); tỷ 100 20 100 396 3 lệ ∆R=100*R /R (B). 1 0 150 20 150 506 - Tối ưu hóa cấu trúc IMI ứng dụng vào chip sinh học Tương tự như đối với Au, với những cấu trúc không có kết quả Để tối ưu hóa cấu trúc IMI ứng dụng vào chip sinh học, các độ nhạy ∆S thì độ phản xạ tại bước sóng đỉnh phổ nhỏ hơn 5%. Từ tính toán được tiến hành nhằm khảo sát sự thay đổi phổ phản xạ kết quả ở bảng 3 có thể thấy, độ nhạy ∆S của cấu trúc IMI khi sử ∆R, sau đó là độ nhạy ∆S của cấu trúc IMI tương ứng với sự thay dụng Ag vào khoảng từ 2,6~4,5 (%/nm). Như vậy, cấu trúc IMI sử đổi độ dày của các lớp thứ 1, 2, 3 và kim loại sử dụng trong cấu dụng kim loại Ag cho độ nhạy cao hơn khi sử dụng kim loại Au. trúc IMI lần lượt là Au và Ag. Sau đó, cấu trúc thích hợp nhất để có Do đó, tối ưu hóa độ dày các lớp MoO3 được tiến hành với lớp kim thể ứng dụng vào chip sinh học được đề xuất dựa trên các kết quả loại là Ag. thu được. Các yếu tố để lựa chọn cấu trúc IMI như sau: có độ phản Bước thứ 2 - Tối ưu hóa độ dày các lớp sử dụng trong cấu trúc ∆ xạ tại đỉnh phổ lớn hơn 5% và có độ nhạy S lớn. IMI: Bước thứ 1 - Tối ưu hóa kim loại sử dụng trong cấu trúc IMI: Từ bảng 3 có thể thấy rằng, độ dày của lớp kim loại Ag là 8 nm Lớp kim loại Au: khi lớp Au quá mỏng, độ phản xạ của ánh trong cấu trúc IMI cho độ nhạy cao. Với độ dày lớp kim loại nhỏ 63(6) 6.2021 4
5. Khoa học Tự nhiên hơn 8 nm, việc chế tạo trong thực tế gặp nhiều khó khăn. Lý do là Kết luận khi dùng phương pháp phún xạ hoặc bốc bay để chế tạo lớp màng Nghiên cứu đã tính toán và phân tích các đặc tính quang học quá mỏng thì sẽ thu được lớp màng không đồng nhất tạo thành như độ truyền qua, độ phản xạ của cấu trúc IMI, cũng như cấu trúc từng đám. Do đó, độ dày của lớp kim loại được cố định là 8 nm và IMI - lớp sinh học. Từ kết quả phổ phản xạ của cấu trúc IMI thấy độ dày của các lớp MoO3 được thay đổi để tìm ra độ dày tối ưu cho cấu trúc IMI. Bảng 4 là kết quả tổng hợp độ nhạy của cấu trúc IMI 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 (MoO -30 nm) - khi độ dày các lớp MoO thay đổi từ 30 đến 150 nm. 3 3 ∆ M (Ag-8 nm) - I (MoO3-30 nm). Độ nhạy S của cấu trúc IMI cao Bảng 4. Độ nhạy ∆S(=100-100*R /R ) của cấu trúc IMI. 1 0 hơn các loại chip sinh học sử dụng phương pháp ATR, SPR, LSPR Lớp 3 Lớp 2 Lớp 1 Bước sóng ΔS (%/nm) và tương đương với phương pháp sử dụng cấu trúc MIM, tuy nhiên d3 (nm) d2 (nm) d1 (nm) đỉnh phổ λ (nm) khi sử dụng cấu trúc IMI dễ dàng quan sát sự thay đổi của phổ 30 8 30 620 6 phản xạ (do độ phản xạ của cấu trúc lớn) hơn khi sử dụng cấu trúc 30 8 50 427 - MIM. Cấu trúc thực tế ứng dụng vào chip sinh học sẽ được chế tạo 30 8 80 483 - và báo cáo trong thời gian tới. 30 8 100 520 - 30 8 150 585 - LỜI CẢM ƠN 50 8 30 735 - 50 8 50 700 - Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội 50 8 80 615 - thông qua đề tài mã số QG.18.57. Các tác giả xin trân trọng cảm ơn. 50 8 100 640 4 50 8 150 685 3,5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 8 30 335 2 [1] J.Z.K. Sutherland, D.M. Vu, H.M. Mendez, S. Jakhar and H. Mukundan 80 8 50 355 3 (2017), “Detection of lipid and amphiphilic biomarkers for disease diagnostics”, Biosensors, 7(3), p.25. 80 8 80 387 3 [2] C.L. Wilson, and C.J. Miller (2005), “Simpleaffy: a BioConductor package for 80 8 100 340 - Affymetrix quality control and data analysis”, Bioinformatics, 26(18), pp.3683-3685. 80 8 150 380 2,9 [3] D. Shalon, S.J. Smith, and P.O. Brown (1996), “A DNA microarray system 100 8 30 385 2 for analyzing complex DNA samples using two-color fluorescent probe hybridization”, 100 8 50 392 - Genome Res., 6(7), pp.639-645. 100 8 80 412 - [4] V.M. Shalaev (2007), “Optical negative-index metamaterials”, Nature Photon., 100 8 100 420 - 1, pp.41-48. 100 8 150 400 - [5] J. Homola, S.S. Yee, and G. Gaugliz (1999), “Surface plasmon resonance 150 8 30 530 3,7 sensors: review”, Sens. Actuators B Chem., 54, pp.3-15. 150 8 50 490 - [6] W. Knoll (1998), “Interfaces and thin films as seen by bound electromagnetic 150 8 80 510 - waves”, Annu. Rev. Phys. Chem., 49, pp.569-638. 150 8 100 515 - [7] J.M. Brockman, B.P. Nelson, and R.M. Corn (2000), “Surface plasmon 150 8 150 520 - resonance imaging measurements of ultrathin organic films”, Annu. Rev. Phys. Chem., 51, pp.41-63. Từ bảng 4 có thể thấy, cấu trúc IMI cho độ nhạy cao nhất 6 [8] S. Fukuba, K. Tsuboi, S. Abe and K. Kajikawa (2008), “Nonlinear optical (%/nm) khi độ dày các lớp của cấu trúc IMI như sau: I (MoO3-30 detection of proteins based on localized surface plasmons in surface immobilized gold nanospheres”, Langmuir, 24(15), pp.8367-8372. nm) - M (Ag-8 nm) - I (MoO3-30 nm), đây là độ dày lý tưởng của cấu trúc(MoO IMI khi3-30 ứng nm), dụng đây vàolà đ ộviệc dày chế lý tưtạoởng chip củ asinh cấu họctrúc (hìnhIMI khi 7). ứng dụng[9] vào K. Tsuboi,việc S. Fukuba, R. Naraoka, K. Fujita and K. Kajikawa (2007), “Multichannel biosensing platform of surface-immobilized gold nanospheres for linear Tuy nhiênchế trên tạo chipthực sinhtế, việc học (hìnhchế tạo 7). cấu Tuy trúc nhiên IMI trên có th độực dàytế, vi đúngệc ch ế tạo cấu trúc IMI như trên là rất khó khăn. Với độ dày lớp MoO trong khoảng 30 and nonlinear optical imaging”, Appl. Opt., 46(20), pp.4486-4490. có độ dày đúng như trên là rất khó khăn. V3 ới độ dày lớp MoO trong khoảng 30 đến 100 nm, cấu trúc cho độ nhạy khá cao từ 3 đến 6 (%/nm), độ 3 [10] A. Syahir, K. Kajikawa and H. Mihara (2010), “A new optical label-free đến 100 nm, cấu trúc cho độ nhạy khá cao từ 3 đến 6 (%/nm), độ biosensingdày này có platform thể based on a metal-insulator-metal structure”, Langmuir, 26(8), dày này có thể sử dụng để chế tạo cấu trúc IMI trong điều kiện thực pp.6053-6057. tế. Có thểsử thấy,dụng độđể nhạychế t ạ∆oS c củaấu trúc cấu IMItrúc trongIMI cao điề uhơn kiệ cácn th ựloạic tế chip. Có thể thấy, độ nhạy [11] A. Syahir, K. Kajikawa and H. Mihara (2021), “Sensitive detection of sinh học sửS c dụngủa cấ uphương trúc IMI pháp cao hơnATR các và lotươngại chip đương sinh h vớiọc sphươngử dụng phương small pháp molecule-protein ATR interactions on a metal-insulator-metal label-free biosensing pháp sử vàdụng tương cấu đương trúc MIM, với phương tuy nhiên pháp khi sử sử dụ dụngng cấ cấuu trúc trúc MIM, IMI tuy dễ nhiênplatform”, khi sử Chem. dụng Asian J., 7(8), pp.1867-1874. dàng quancấu sát trúc sự IMI thay d ễđổi dàng của quan phổ sátphản sự xạthay (do đ ổđội c ủphảna ph ổxạ ph củaản xcấuạ (do độ ph[12]ản A.xạ Syahir, của K. Kajikawa and H. Mihara (2014), “Enhanced refractive index trúc lớn)c ấhơnu trúc khi lớ sửn) hơndụng khi cấu sử trúc dụng MIM. cấu trúc MIM. sensitivity for anomalous reflection of gold to improve performance of bio-molecular detection”, Sens. Actuators. B Chem., 190, pp.357-362. [13] L. Wu, H.S. Chu, W.S. Koh, and E.P. Li (2010), “Highly sensitive graphene biosensors based on surface plasmon resonance”, Opt. Express, 18, pp.14395-14400. [14] D.S. Bethune (1989), “Optical harmonic generation and mixing in multilayer media: analysis using optical transfer matrix techniques”, J. Opt. Soc. Am. B, 6, pp.910-916. [15] P.T. Thanh, K. Yamamoto, R. Fujimura, and K. Kajikawa (2014), “All optical bistability device with counterclockwise hysteresis using twisted nematic liquid Hình 7. Cấu Hình trúc 7. C IMIấu trúc lý IMItưởng lý tư ứngởng ứdụngng dụ ngvào chip chip sinh sinh học. học. crystals on metal-insulator-metal structure”, Jpn. J. Appl. Phys., 53, pp.92202. Kết luận Nghiên cứu đã tính toán và phân tích các đặc tính quang học như độ truyền qua, độ phản x63(6)ạ của c6.2021ấu trúc IMI, cũng như cấu trúc IMI5 - 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. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội thông qua đề tài mã số QG.18.57. Các tác giả xin trân trọng cảm ơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 13