Nguyên lý vật liệu cảm biến sinh học điện hóa và ứng dụng: Phần 2

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Cảm biến sinh học điện hóa - Nguyên lý vật liệu và ứng dụng" trình bày các nội dung: Công nghệ chế tạo cảm biến, một số ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nguyên lý vật liệu cảm biến sinh học điện hóa và ứng dụng: Phần 2 137 Chương 5 CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO CẢM BIẾN 5.1. Công nghệ chế tạo điện cực in lưới (SPE) In lưới là một dạng ưong kỹ thuật in ấn. Xuất xứ cùa từ in lưới có nguồn gốc từ lúc bản lưới cùa khuôn in làm bàng tơ lưới. In lưới thực hiện theo nguyên lý giống như in mực dầu trên giấy nến, theo nguyên lý chì một phần mực in được thấm qua lưới in, in lên vật liệu in bởi trước đó, một số mắt lưới khác đã được bịt kín bởi hóa chất chuyên dùng. Bản lưới có thể thay thể bời các vật liệu khác như vài bông, vải sợi hóa học, lưới kim loại. Kỹ thuật này có thể áp dụng cho rất nhiều vật liệu khác nhau cần in như nilông, vải, thủy tinh, mặt đồng hồ, mạch điện tử, một số sản phẩm kim loại, gỗ, giấy.... Ngay cả trong lĩnh vực công nghệ cao như chế tạo pin mặt ười, công nghệ in lưới vẫn phát huy được thế mạnh nhờ ưu thế sản xuất ở qui mô lớn với giá thành rẻ. Thật vậy, mặc dù pin mặt ười trên cơ sở silic được nghiên cứu và sàn xuất đã khá lâu và cho đến nay vẫn đang được sản xuất nhiều nhất trên quy mô công nghiệp, việc nghiên cứu để giảm giá thành và nâng cao hiệu suất chuyển đoi vẫn luôn là m ột thách thức lóm. M ột trong những giòi pháp hiệu quà là sử dụng công nghệ in lưới đề tạo điện cực tiếp xúc trước và sau thay thế công nghệ tạo điện cực đắt tiền là bốc bay kim loại. Hiện tại, thiết bị công nghệ in lưới đã được sừ dụng cho sản phẩm pin mặt ười màng mỏng thương mại. Trong lĩnh vực chế tạo cảm biến, nhờ ưu thế về chỉ tiêu kỹ thuật (khả năng chế tạo ở kích thước nhỏ, độ lặp lại cao) cũng như giá thành, điện cực in lưới rất thích hợp cho các phân tích dùng một lần (disposable). Trên thị trường, các điện cực in lưới đã được bán phổ biến với nhiều loại vật liệu điện cực khác nhau, tùy vào mục đích sừ dụng (có thể là điện cực vàng, bạch kim, cacbon hay graphen). 138 Trần Đại Lãm Hình 5.1. Máy in điện cực lưới cùa hãng DEK và cấu trúc điện cực in lưới tích hợp Hình 5.2. Một số loại điện cực in lưới thương mại và hệ phân tích dòng chảy liên tục đầu dò điện hóa của hãng Dropsens Chương 5. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CẢM BIỀN 139 Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và quan trắc môi trường, các điện cực in lưới có khả năng tích hợp tốt với các thiết bị xách tay nhò gọn để đo tại hiện trường, ngoài phòng thí nghiệm. Trong các phân tích công nghiệp, khi các phân tích dòng chảy liên tục (Flow Injection Analysis, FIA) và phân tích dòng chày gián đoạn (Segmented Flow Analysis, SFA) là bat buộc (thay thế cho chế độ tĩnh, tại chỗ trong phòng thí nghiệm) thì cấu hình đầu dò điện hóa sừ dụng các điện cực in lưới dùng một lần là rất phù hợp cà về phương diện kỹ thuật lẫn kinh tế. 5.2. Công nghệ vi cơ điện tử (MEM S) Các thành tựu trong lĩnh vực nano sinh học và công nghệ hệ thống micro/nano cơ điện tử (MEMS/NEMS- Micro/Nano ElecưoMechanical System) đã chứng tỏ triền vọng to lớn của chúng ứng dụnệ trong chế tạo cảm biến. Công nghệ MEMS/NEMS là công nghệ thiết kế - chế tạo các vi hệ thống với kích thước hoạt động nhỏ hơn pm. Vật liệu vô cơ (silicon), hữu cơ (polyme) hay kim loại (vàng, bạc, nhôm) là những nguyên liệu chính dùng để chế tạo các bộ phận MEMS ở kích cỡ micromét bằng phương pháp ăn mòn laze (laser ablation), ăn mòn hóa học (chemical etching) hay quang khắc (photolithography). Các bộ phận được chế tạo bằng MEMS được gắn vào đèn nội soi để quan sát các cơ quan ữong cơ thể, hay các bộ cảm ứng y học giá rẻ dùng một lần để giúp y sĩ chẩn đoán bệnh chính xác và trị bệnh hiệu quả. Đặc biệt, hệ thống 'lab-on-a-chip' gồm các bộ phận MEMS, mạng vi lưu với kích thước từ vài milimét đến centimét, về lý thuyết có khả năng tiến hành các thí nghiệm sinh-hóa tương đương với chức năng của nhiều phòng thí nghiệm hợp lại. Trong các loại cảm biến, hệ vi cảm biến tích hợp điện hóa là một trong những hướng nghiên cứu được phát triển đầu tư mạnh mẽ do các ưu điểm của chúng như: có độ đồng nhất cao; dễ phát triển - tích hợp, độ bền cơ lý hóa tốt; nếu chuẩn bị tốt, người ta có thể cho ra một mẻ cảm biến (tỏri hàng ngàn chip). Hiện nay, khái niệm vi hệ thống đã phát triển, mở rộng rất nhiều so với thời điểm ban đầu và có một số đặc tính quan trọng như sau [109]: i) vi hệ thống bao gồm thành phần điện-không điện và gồm các chức năng thu nhận tín hiệu (signal acquisition/sensing), xừ lý tín hiệu (signal processing), cơ cấu chấp hành (actuation), hiển thị (display) và điều khiển (control); 140 Trần Đại Lâm ii) vi hệ thống là hệ thống thòi gian thực trong đó việc đóng gói, chia tách phần tử sẽ tác động lên tính chất như: tỳ số tín hiệu/nhiễu (S/W), sự điều chinh, độ ổn định và lặp lại; iii) vi hệ thống liên quan đến công nghệ vi chế tạo (microfabrication). Hiện nay, hầu hết các vi hệ thống đều được chế tạo dựa trên công nghệ MEMS gồm các kỹ thuật vi chế tạo trên công nghệ quang khắc với việc thêm một số quá trình công nghệ đặc biệt cùa vi cơ (micromachining). Việc chế tạo với số lượng lớn, giảm tối đa độ sai hỏng, tăng độ lặp lại, giảm giá thành... là các ưu điểm của công nghệ MEMS. Các sản^phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện từ với các linh kiện, chi tiết vi cơ. Trong lĩnh vực ứng dụng y sinh, các vi hệ thống được thiết kế chế tạo bao gồm các phần tử có tính tương sinh cao và đã được phát triển thành một hướng nghiên cứu gọi là vi hệ thống sinh học (BioMEMS). Mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic, do đó xu hướng chung là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện từ, điển hình là kỹ thuật khắc hình. Tuy nhiên các linh kiện cùa mạch vi điện tà đều nằm trên mặt phẳng còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những t ...