- i -

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Trường Đại học Bách khoa
Khoa Kỹ thuật Hoá học
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
  


BK
TP HCM


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

BIOCHIP_MICROARRAY






SVTH : TRẦN THỊ KHANG
MSSV : 60701066
GVHD : PGS.TS NGUYỄN THÚY HƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, 6/2011


- ii -
LỜI CÁM ƠN

Đồ án chuyên ngành Biochip_Microarray được thực hiện từ tháng 2 đến tháng
6/2011. Trong quá trình đó, để hoàn tất nội dung nghiên cứu, ngoài tinh thần làm việc tự
giác và nghiêm túc của bản thân không thể không kể đến công lao to lớn của thầy cô, gia
đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi. Em xin gửi lời cám
ơn chân thành đến:
Cô Nguyễn Thúy Hương đã gợi ý đề tài, cung cấp tài liệu và có những chỉ dẫn,
khuyến khích em trong quá trình thực hiện đồ án.
Chân thành cám ơn Quý thầy cô bộ môn Công nghệ Sinh học đã tận tình truyền đạt
cho chúng em những kiến thức chuyên ngành quý báu, sự giúp đỡ và cả lòng nhiệt huyết,
sự đam mê về lónh vực mà chúng em đang theo đuổi.
Cám ơn Quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã dạy dỗ em
trong suốt 4 năm qua, cung cấp cho chúng em những kiến thức cơ sở trong nhiều lónh vực
để có thể nhanh chóng thích nghi với những khía cạnh nằm ngoài chuyên ngành của mình.
Cám ơn gia đình và người thân đã luôn bên cạnh động viên và tạo mọi điều kiện
cho tôi hoàn thành nghóa vụ của mình.
Cám ơn bạn bè, đặc biệt là những thành viên của lớp HC07SH đã luôn bên cạnh
chia sẻ, trao đổi kinh nghiệm học tập và giúp đỡ tôi trong mọi hoàn cảnh.
Xin chân thành cám ơn.
Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức bản thân có hạn nên không thể tránh khỏi
những thiếu sót và hạn chế, em rất mong nhận được sự chỉ bảo góp ý từ Quý thầy cô và ý

kiến xây dựng từ các bạn để đồ án chuyên ngành này nói riêng và kiến thức của em về đề
tài này được hoàn thiện hơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10/6/2011.

- iii -
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN





















- iv -
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC BẢNG vi
DANH MỤC HÌNH vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix
LỜI NÓI ĐẦU x

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BIOCHIP 1
1.1. Giới thiệu 1
1.2. Tính thời sự 1
1.2.1. Phát hiện độc tố bằng chip sinh học 1
1.2.2. Chip sinh học tìm vi trùng gây hại 2
1.2.3. Chip sinh học tìm thuốc trò bệnh 3
1.2.4. Chip sinh học chẩn đoán ung thư vú 3
1.3. Nguồn gốc lòch sử 4
1.4. Phân loại Biochip 5
1.4.1. Thiết bò microfluidic 6
1.4.2. Microarray 7
1.4.3. Biosensor (sensor sinh học, cảm biến sinh học) 9
1.5. Thành tựu và giới hạn của dụng cụ vi phân tích 10
1.6. Sơ lược các phương pháp chế tạo Chip 11
1.7. Các phương pháp phát hiện trên Chip 12
1.8. Tình hình phát triển và thò trường Biochip 12
Chương 2: ĐẠI CƯƠNG KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA BIOCHIP 13
2.1. Kỹ thuật quang khắc (photolithography) trong vi chế tạo biochip 13
2.1.1. Polymer cảm quang 13
2.1.2. Quang khắc (photolithography) 13
2.2. Microfluidic 15
2.2.1. Vật liệu chế tạo thiết bò Microfluidic và phương pháp vi chế tạo 15
2.2.2. Thiết bò Microfluidic thụ động thông minh 18


- v -
2.2.3. Ứng dụng Lab-on-a-chip trong phân tích sinh hóa 24
2.3. DNA microarray 39
2.3.1. Chất nền và xử lý chất nền 39
2.3.2. Kỹ thuật chế tạo DNA microarray 42
2.3.4. Đánh dấu DNA và phương pháp phát hiện 49
2.3.5. Vài ứng dụng của DNA microarray 53
2.4. Protein Microarray 58
2.4.1. Từ DNA array đến protein array và thách thức 58
2.4.2. Các loại protein microarray 60
2.4.3. Hóa học bề mặt của protein array hay cố đònh protein 62
2.4.4. Đánh dấu protein 64
2.4.5. Sự đo lường trực tiếp 66
2.4.6. Quy trình arraying 67
2.4.7. Ứng dụng của Protein microarray 70
KẾT LUẬN 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

- vi -
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành tựu và giới hạn của những dụng cụ vi phân tích 11
Bảng 1.2. Những vật liệu và phương pháp chế tạo 11
Bảng 2.1. Tóm tắt của những kỹ thuật chế tạo polymer micro/nano khác nhau 18
Bảng 2.2. So sánh giữa DNA chip và protein chip 59
Bảng 2.3. Những loại protein microarray 60

- vii -
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống vi phân tích y ” sinh thông minh cho chẩn đoán bệnh 6

Hình 1.2. Cách thức hoạt động của một DNA Microarray 8
Hình 1.3. Kó thuật protein microarray. 8
Hình 1.4. Hình minh họa cho một cảm biến DNA điện tử. 9
Hình 2.1. Mặt nạ quang. 14
Hình 2.2. Sơ đồ các bước của quá trình quang khắc. 14
Hình 2.3. Thuật khắc ướt của chất nền silicon. 15
Hình 2.4 . Những kênh vi lỏng trên chất nền thủy tin 16
Hình 2.5 . Kỹ thuật chế tạo polymer micro/nano. 18
Hình 2.6. Một số loại van thụ động 19
Hình 2.7. Bộ phối trộn nâng cao sự khuyếch tán dựa trên chiều dài và dòng chảy xoắn. 20
Hình 2.8. Bộ phối trộn dựa trên hiệu ứng Koanda. 21
Hình 2.9. Bản phác thảo dưới dạng biểu đồ của hệ thống vi phân phối. 21
Hình 2.10. Vi ảnh của trình tự vi phân phối 22
Hình 2.11. Thiết bò phân phối với bộ vi lỏng tích hợp 22
Hình 2.12. Vi ảnh chỉ ra sự hoạt động của hệ phân phối đa thành phần 23
Hình 2.13. Phân tích dựa trên nghiên cứu miễn dòch và phát hiện điện hóa 25
Hình 2.14 Cách thức lấy mẫu sinh học và nghiên cứu miễn dòch 26
Hình 2.15. Lab-on-a-chip được chế tạo dùng cho nghiên cứu miễn dòch 27
Hình 2.16. Kết quả nghiên cứu miễn dòch đo được bằng phương pháp phát hiện dựa vào
việc đo ampe theo thời gian 28
Hình 2.17. Lab-on-a-chip bằng plastic thông minh, sử dụng một lần. 29
Hình 2.18. Nguyên tắc hoạt động của biosensor cảm biến nồng độ oxy riêng phần 29
Hình 2.19. Dụng cụ phân tích lab-on-a-chip thông minh dùng một lần loại cầm tay. 30
Hình 2.20. Kết quả đo được từ bộ biochip và dụng cụ phân tích 30
Hình 2.21. Microfluidic biochip dùng phân loại nhóm máu 32
Hình 2.22. Một đơn vò phân loại máu của microfluidic biochip 33
Hình 2.23. Cấu tạo của một đơn vò phân loại nhóm máu 34
Hình 2.24. Thí nghiệm phân loại nhóm máu với microfluidic biochip 37
Hình 2.25. Kết quả phân loại máu từ thiết bò microfluidic biochip 38


- viii -
Hình 2.26. Chế tạo DNA microarray bằng kỹ thuật in lắng đọng tiếp xúc đỉnh 43
Hình 2.27. Những đầu tip dùng trong in lắng đọng tiếp xúc đỉnh 43
Hình 2.28. Chế tạo DNA array sử dụng kỹ thuật pin-and-ring array 44
Hình 2.29. Chế tạo DNA array sử dụng kó thuật in vi tiếp xúc 44
Hình 2.30. Chế tạo array sử dụng kỹ thuật hệ thống vi lưu 45
Hình 2.31. Nguyên tắc của phương pháp in áp điện 45
Hình 2.32. Sự hình thành giọt lỏng tại đầu tip của thiết bò phân phối áp điện. 46
Hình 2.33. Độ chính xác của vòi phun áp điện (phân phối giọt lỏng xuyên qua mắt kim 46
Hình 2.34. Tổng hợp oligonucleotide tại chỗ sử dụng hệ thống phân phối áp điện. 47
Hình 2.35. Chế tạo quang khắc dùng nhóm bảo vệ nhạy quang và mặt nạ quang khắc 48
Hình 2.36. Sự chế tạo bằng phương pháp quang khắc với vi gương 49
Hình 2.37. Những thuốc nhuộm huỳnh quang thường. 550
Hình.2.38. Ảnh huỳnh quang của oligonucleotide microarray. 55
Hình 2.39. Phân tích biểu hiện gen với oligonucleotide array mật độ cao. 56
Hình 2.40. Xác đònh trình tự của DNA sử dụng oligonucleotide microarray. 57
Hình 2.41. Những kiểu phân tử bắt giữ trong protein microarray. 61
Hình 2.42. Hình minh họa một protein array lý tưởng. 64
Hình 2.43. Dụng cụ tạo mảng 48-kim in độ chính xác cao trong in tiếp xúc. 67
Hình 2.44. Ảnh hưởng của chất tẩy lên hình thái của điểm trên protein array. 69



- ix -
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
4QI 4-Quinoneimine
AP Alkaline Phosphatase
APTES 3”aminopropyl”triethoxysilane
BSA Bovine serum albumin
COC Cyclic Olefin Copolymer

Cy3 2-[(1E,3E)-5-(1-{6-[2,5-dioxo-1-pyrrolidinyl)oxy]-6-oxohexyl}-3,3-dimethyl-5-
sulfo-1,3-dihydro-2 H-indol-2-ylidene)-1,3-propadienyl]-1-ethyl-3,3 -dimethyl-
3H-indolium-5-sulphonate
Cy5 1,3-pentadienyl
EDC 1”(3”dimethylamino”propyl)”3”ethylcarbodiimide hydrochloride
FISH Fluorescence in-situ hybridization
GOD Glucose Oxidase
PAP P-Aminophenol
PAPP Phosphate P-Aminophenyl
PC Polycarbonate
PDMS Polydimethysilane
PE Polyethylene
PMMA Polymethylmethacrylate
PS Polystyrene
RBC Red Blood Cell _ Hồng cầu
sPROMs structurally programmable microfluidic system
SLM Serpentine laminating micromixer
SSMCC sulfo”succinimidyl 4”(N”maleimidomethyl) cyclohexane”1”carboxylate
SAMs Self-assembled monolayers
SPR Surface Plasmon Resonance _ Cộng hưởng Plasmon bề mặt
SNP Single Nucleotide Polymorphism _ Sự đa hình đơn nucleotide
t”BOC tertbutyloxycarbonyl
UV Untraviolet _ Tia cực tím
LIGA Lithographie (lithography), galvanoformung (electroplating), abformung
(molding)
µ-TAS Miniaturized total analysis system

- x -
LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ sinh học đóng vai trò cực kì quan trọng trong thế kỉ thứ 21 như vai trò

của công nghệ tin học vào cuối thế kỉ vừa qua. Các phương pháp và kỹ thuật mới áp dụng
trong các ngành y và sinh học sẽ dần thay thế các kỹ thuật cũ, hiện giờ còn đang sử dụng
trong các phòng thí nghiệm và bệnh viện, giống như máy PC đã thay đổi hệ thống quản lý
tại các văn phòng trước đây. Một trong những kỹ thuật hàng đầu trong công nghệ sinh học
phải kể đến là kỹ thuật Chip sinh học (còn gọi là Gen-Chip, DNA-Chip, Biochip).
Chip sinh học được xem là thành tựu khoa học kỹ thuật cuả thế giới trong việc ứng
dụng công nghệ nano vào lónh vực chẩn đoán y khoa. Các vi mạch sinh học này chủ yếu
như là các phòng xét nghiệm thu nhỏ lại đủ khả năng thực hiện hàng trăm hoặc hàng ngàn
phản ứng xét nghiệm sinh hoá cùng lúc đồng thời với nhau. Tiến bộ này cho phép các nhà
nghiên cứu những dụng cụ mới để khám phá những quy trình sinh hóa phức tạp xảy ra bên
trong tế bào. Dựa vào những khám phá và hiểu biết về những quy trình đó, các nhà khoa
học đưa ra những ứng dụng cho việc chẩn đoán và điều trò bệnh cho con người [1].
Nhiều chuyên gia cho rằng Chip sinh học sẽ thay đổi toàn bộ các phương pháp
nghiên cứu hiện nay trong lónh vực tìm kiếm các loại thuốc trò bệnh. Kinh nghiệm trong
mấy mươi năm qua cho thấy để tìm ra một loại thuốc mới người ta phải tốn từ 12 đến 15
năm với một chi phí khổng lồ, khoảng 800 triệu Euro cho một loại thuốc. Với Chip sinh
học các công ty có thể giảm thời gian nghiên cứu và phát triển từ 2 đến 3 năm và như vậy
chi phí sẽ giảm đi hàng trăm triệu Euro [6].
Từ thực trạng trên, đồ án Biochip_Microarray được hiện nhằm cung cấp một cái
nhìn tổng quan về biochip trong phạm vi một vài loại chip điển hình, những phương pháp
cơ bản sử dụng trong chế tạo các loại chip sinh học và tiềm năng ứng dụng to lớn của
chúng trong lónh vực y học, sinh học.
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 1 -
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BIOCHIP
1.1. Giới thiệu
Hướng phát triển tiềm năng của kó thuật phân tích trong những năm gần đây là
nhằm vào những thiết bò phân tích vi thu nhỏ (microminiaturized analyzers). Những cái tên
chung dành cho những thiết bò mới mang kích thước micromet này là ‚hệ thống phân tích
vi tổng‛ (micro-total analytical system _ µ-TAS) [37], phòng thí nghiệm trên một con chip

(lab-on-a-chip) [14, 38], chip sinh học (biochip), hay đơn giản là ‚chip‛. Trong nhiều
trường hợp những thiết bò này được gọi tên dựa trên những ứng dụng đặc biệt của chúng
như PCR chip, gene chip, hoặc theo đặc trưng thuộc tính cấu trúc, ví dụ, microspot hay
microarray. Điểm đặc trưng của tất cả những thiết bò này là vi thu nhỏ một quy trình phân
tích hay một phần của quy trình phân tích bên trong một thiết bò được xây dựng trên một
mảnh nhỏ thủy tinh, plastic hay silicon [27].
Chúng là sản phẩm được ứng dụng bởi các công trình nghiên cứu của các ngành
như: Công nghệ gen (Genomics), Công nghệ Protein (Proteomics), Ngành dược
(Pharmaceuticals) và cả ngành Sinh học điện toán (Computational biology), Công nghệ
điện tử siêu bán dẫn (Nanomic) [1].
Những thiết bò vi phân tích (microanalyzer) này được xem là sự đổi mới thú vò trong
công nghệ chế tạo các dụng cụ phân tích. Lợi ích và tính tiện lợi mà những thiết bò này
mang lại thật sự là không nhỏ. Đầu tiên, nó cho phép tiến hành hàng loạt những thử
nghiệm đònh lượng cao trong khám phá thuốc [16], là thiết bò xách tay nhỏ gọn, nhẹ cân sử
dụng trong những sứ mệnh khảo sát vũ trụ, nơi mà trọng tải được giới hạn. Thứ hai, khi sử
dụng những thiết bò này sẽ giảm chi phí phân tích do lượng chất phản ứng được giảm đáng
kể so với những phân tích thông thường. Tương tự như vậy, khi khám phá thuốc, thường chỉ
có một lượng hạn chế những hợp chất thuốc làm ứng cử viên thử nghiệm, sự giảm thể tích
mẫu thử nghiệm đổi lại có thể thực hiện được rất nhiều những thí nghiệm với những hợp
chất đặc biệt khác. Cuối cùng, một thành tựu quan trọng của những thiết bò này là khả
năng tích hợp tất cả các bước trong một quy trình phân tích nhiều bước phức tạp chỉ trên
một thiết bò duy nhất [27].
1.2. Tính thời sự
1.2.1. Phát hiện độc tố bằng chip sinh học
Phương pháp thử nghiệm độc tố trước đây bao hàm việc sử dụng các động vật sống
để dự đoán liệu các hóa chất hay dược phẩm có độc tính hay không. Tuy nhiên, với số
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 2 -
lượng lớn các hợp chất đang được sản xuất ra trong ngành dược phẩm và đạo luật mới quy
đònh các hóa chất phải được phân tích độc tính, đã xuất hiện nhu cầu phải có phương pháp

thử nghiệm cho năng suất cao.
Phát minh mới của nhóm các nhà nghiên cứu thuộc trường đại học Bách Khoa
Rensselaer, trường Đại học Tổng hợp California và Hãng Solidus Biosciences giúp loại bỏ
được khâu thử nghiệm với động vật ở các ngành công nghiệp hóa chất và mỹ phẩm, đồng
thời giảm được rất nhiều việc sử dụng khâu này ở ngành dược phẩm. Các nhà nghiên cứu
đã phát triển 2 chip sinh học kết hợp với nhau, cho biết độc tố tiềm tàng của các hóa chất
và ứng viên dược phẩm đối với các bộ phận khác nhau trong cơ thể người, đồng thời cho
biết liệu những hợp chất đó có trở thành độc tố hay không khi được trao đổi chất trong cơ
thể. Tất cả những thông tin trên đều nhận được từ một lần thử nghiệm duy nhất mà không
cần phải sử dụng động vật sống.
Giáo sư S. Dordick ở trường Đại học Rensselaer và là người đồng sáng lập Hãng
Solidus Biosciences cho biết: ‚ Chúng tôi xem xét những vấn đề đặt ra cho các doanh
nghiệp và nhận ra rằng cần phải phát triển một phương pháp nào đó có giá rẻ, năng suất
cao, dễ tự động hóa và không cần đến động vật sống. Chúng tôi phát triển Datachip và
Metachip để giải quyết 2 vấn đề quan trọng nhất khi kiểm tra độc tính của một hợp chất:
(1) nh hưởng của nó đến các tế bào khác nhau trong cơ thể và (2) Độc tính được thay đổi
thế nào khi hợp chất được trao đổi chất trong cơ thể con người‛ [50].
1.2.2. Chip sinh học tìm vi trùng gây hại
Tại trường đại học ETH ở Lausanne, Thụy Só các nhà khoa học đã sáng chế ra một
loại chip sinh học có thể xác đònh nhanh chóng các loại vi trùng trong cơ thể người. Với
một giọt máu người bệnh bác só chỉ cần 6 đến 8 tiếng đồng hồ là có thể xác đònh được 80%
của 55 loại vi trùng.
Hiện nay để tìm vi trùng gây bệnh người ta lấy nước tiểu, phân hay máu của bệnh
nhân và gửi đến các phòng xét nghiệm. Bệnh nhân thường phải đợi nhiều ngày cho đến
khi nhận được thuốc hay các biện pháp chữa trò. Trong tương lai với chip sinh học, các bác
só chỉ cần vài tiếng đồng hồ để xác đònh loại vi trùng gây bệnh và có thể đề ra phương
pháp điều trò thích hợp, nhờ chip sinh học người ta sẽ ngăn chặn kòp thời khả năng phát
triển bệnh của các loại vi trùng gây bệnh [6].
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 3 -

1.2.3. Chip sinh học tìm thuốc trò bệnh
Một ứng dụng quan trọng khác của chip sinh học là sử dụng trong việc tìm kiếm
các loại thuốc hay các phương pháp chữa trò thích hợp cho từng bệnh nhân.
Hiện nay các thuốc chữa trò thường có tính ‚đại trà‛, vì vậy với cùng một loại
thuốc, có người chữa khỏi nhưng người khác, cũng bệnh đó, không đạt được kết quả mong
muốn và nhiều khi còn bò phản ứng phụ. Thí dụ phương pháp ‚hóa chất‛, thường được áp
dụng để trò bệnh ung thư. Các chất hóa học được sử dụng nhằm ngăn cản sự phát triển của
tế bào ung thư trong cơ thể bệnh nhân, nhưng đồng thời chúng cũng ngăn cản sự phát triển
cần thiết của những loại tế bào không bệnh. Vì vậy lối chữa trò này gây ra nhiều tác dụng
phụ có hại cho sức khỏe của bệnh nhân. Với một chip sinh học được phát triển mới đây
người ta có thể phân biệt được 2 nhóm gen, một loại gây bệnh chiếm khoảng 40% và có
thể dùng phương pháp hóa học để trò và 60% còn lại không phản ứng bằng biện pháp này.
Tuy nhiên để thực hiện được việc nghiên cứu và chế tạo các loại chip sinh học
tương ứng con người cần phải biết thêm nhiều thông tin chính xác về bộ gen người và qua
đó mới có thể tạo ra các chip sinh học tương ứng. Vì vậy việc giải mã bộ gen người đóng
vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo các chip sinh học [6].
1.2.4. Chip sinh học chẩn đoán ung thư vú
Cứ mỗi10 phụ nữ tại Đức có một người bò bệnh ung thư vú. Hàng năm tại Đức có
thêm khoảng 45 000 phụ nữ bò bệnh.
Theo giáo sư Cornelius Knabbe của bệnh viện Robert Koch (Stuttgart) 70% bệnh
nhân mà tế bào ung thư chưa vào hạch, có thể sống ít nhất mười năm nữa, nếu được chữa
trò kòp thời. Với các phương pháp dùng ‚phóng xạ‛ hay ‚hóa học‛ thì khả năng sống còn
của bệnh nhân tăng lên 76%. Tuy nhiên, không phải bệnh nhân nào cũng phải áp dụng
được những phương pháp hại sức khỏe như trên để chữa trò và nhiều khi không đạt được
kết quả.
Để chẩn đoán và phân loại bệnh trạng của từng bệnh nhân công ty Eppendort ở
Hamburg (Đức) sản xuất một loại chip sinh học DualChip
TM
với 160 gene để phân biệt các
bệnh ung thư (BRCA1 và BRCA2) và qua đó người ta hy vọng có thể tìm được các gen

gây các bệnh ung thư khó trò. Dr.Sven Buelow của công ty Eppendort cho biết, công ty của
ông đã làm nhiều thí nghiệm chẩn đoán, so sánh chip sinh học và các phương pháp cổ điển
mà kết quả phù hợp rất khả quan. Hiện nay chip sinh học còn đang được áp dụng thực
nghiệm cho 750 bệnh nhân ở các nước Châu Âu và Bắc Phi [6].
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 4 -
1.3. Nguồn gốc lòch sử
Năm 1953, J. Waston và F. Crick xây dựng thành công mô hình cấu trúc của phân
tử DNA, còn gọi là mô hình cấu trúc DNA của Waston ” Crick hay chuỗi xoắn kép. Mô
hình đã chỉ ra rằng 2 sợi DNA có thể bò phân tách bởi nhiệt độ hay xử lý với chất kiềm, gọi
hiện tượng biến tính của DNA. Hiện tượng hồi tính hay lai phân tử (được mô tả lần đầu
tiên bởi Marmur và Doty) là quá trình ngược lại, nếu DNA đã biến tính được hạ nhiệt độ từ
từ trở lại bình thường, chúng có thể gắn lại với nhau thành mạch kép.
Những đặc tính đặc biệt này đã khởi xướng cho các phương pháp phân tích mối
quan hệ giữa những chuỗi acid nucleic, những phương pháp dựa trên lai phân tử phát triển
nhanh chóng và được ứng dụng vào giải quyết những vấn đề trong sinh học. Một vài
phương pháp như của Nygaard và Hall; Gillespie và Spiegelman, ước chừng điểm kết thúc
hay tỷ lệ tương tác giữa một phân tử DNA và phân tử RNA được sao chép từ nó ra. Sau đó
điều này đã được ứng dụng để ước chừng số lượng trình tự lặp lại như gen của ribosom,
dùng rRNA đã được đánh dấu như mồi và đo nồng độ RNA trong dung dòch [26]. Những
điều này đã sớm báo hiệu sự ứng dụng phổ biến của DNA microarray để phân tích tính đa
dạng trình tự và những mức độ biểu hiện gen.
Vào cuối những năm 1960, Pardue và Gall; Jones và Robertson khám phá ra
phương pháp xác đònh vò trí của những trình tự đặc biệt trong nhân hay trên nhiễm sắc thể
bằng cách tiến hành phản ứng lai trên những tế bào được cố đònh trên bản kính mang vật
của kính hiển vi (lai in situ huỳnh quang [FISH]). Phương pháp sử dụng để cố đònh nhiễm
sắc thể và nhân trên bản kính vẫn cho phép DNA tham gia vào sự hình thành sợi kép với
mẫu dò, ngày nay được sử dụng để cố đònh vết DNA trên bản kính của microarray. Và kó
thuật đánh dấu huỳnh quang nhiều màu được giới thiệu bởi Ried et al.; Balding và Ward,
để phân tích những mẫu dò phức tạp bằng FISH, ngày nay được sử dụng để phân tích

tương đối những mRNA từ những nguồn khác nhau.
Vào giữa những năm 1970, phương pháp DNA tái tổ hợp đang được phát triển và
để tiềm năng to lớn của phương pháp được công nhận không thể không kể đến những
phương pháp phát hiện ra những trình tự đặc biệt ở những dòng tái tổ hợp. Grunstein và
Hogness đã cung cấp những phương tiện phát hiện là lai phân tử trực tiếp trên những
khuẩn lạc tan được cố đònh trên màng [26]. Những phương pháp này có ảnh hưởng to lớn
đến tốc độ khám phá ra những gen mới.
Cuối những năm1980, Edwin Southern tại đại học Oxford lần đầu tiên trình bày
cách sử dụng thuật in để gắn những trình tự oligonucleotide trên tấm kính. Sau đó, nhóm
của ông đã cho ra mắt array đầu tiên. Trong suốt đầu những năm 1990, Stephan Fodor tại
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 5 -
Affymetrix, sử dụng phương pháp quang khắc (photolithography) được sử dụng để sản xuất
chất bán dẫn phát triển mảng oligonucleotide thu nhỏ gồm 8 nucleotide. Năm 1993 ông
đồng sáng lập hãng Affymetrix để phát triển những microarray với hàng trăm ngàn
oligonucleotide khác nhau. Năm sau, Affymetrix bắt đầu sản xuất và bán microarray đầu
tiên, GeneChip®, lúc này thò trường DNA array bắt đầu được sinh ra. Công trình của 2 nhà
tiên phong này trở thành nền móng cho những oligonucleotide array tại chỗ ngày nay [33].
Cùng thời gian đó, Patrick Brown tại đại học Stanford phát minh ra một phương
pháp chế tạo mảng array hoàn toàn khác biệt về cơ bản. Brown đề xuất và trình bày sự
sắp xếp của đoạn cDNA đã được tổng hợp bằng PCR đặt tại những khoảng cách đều đặn
trên mặt kính bằng một robot. Cách thức thực hiện được trình bày cụ thể trên trang web
của ông [ các nhà nghiên cứu theo đó có thể tự sản xuất ra
những array. Chính sự kiện này dẫn đến việc sử dụng rộng rãi các DNA microarray.
Sự cộng tác thành công giữa phòng thí nghiệm của Brown và phòng thí nghiệm của
Ron Davids tại Stanford đã tạo ra bài luận có tính chất đột phá được công bố vào năm
1995 trên tờ Science sử dụng từ microarray cho lần đầu tiên. Từ sau đó, những từ lan
truyền ‚DNA array‛ và ‚chip‛ trở thành lối nói chung trong cộng đồng khoa học. Nền
công nghệ vừa đề cập đến mới đây được mở rộng đến sự phát triển của protein arrays,
glycoarrays, mô arrays cùng được nhắc đến với tên chung là bioarray hay biochip [33].

1.4. Phân loại Biochip
Biochip được xây dựng trên cơ sở chuyển một phản ứng sinh học thành một tín hiệu
điện tử, bao gồm DNA chip, Protein chip, chip tế bào, sensor sinh học, lab chip, thiết bò
điện tử sinh học, chip có thể ghép cấy [3]
Biochip có cấu hình khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng của nó. Có thể phân chúng
thành 2 loại chính là array và microfluidic [43]. Trong đó array có cấu trúc và nguyên tắc
hoạt động đơn giản hơn, chỉ cần gắn các phân tử DNA, protein hay tế bào lên bề mặt chip
với vai trò là mẫu dò (probe) thì có thể phát hiện ra các tác nhân đích dựa trên nguyên tắc
kết cặp đặc hiệu. Với loại chip này thì quá trình phân tích dữ liệu xảy ra ‚OFF chip‛, cần
các thiết bò phân tích bên ngoài và cần tiến hành ở phòng thí nghiệm cố đònh [8].
Nguyên tắc hoạt động của microfluidic chip (hay còn gọi là Lab-on-a-chip) phức
tạp hơn bởi tất cả các phản ứng đều xảy ra ngay trên chip, nó như là một phòng thí nghiệm
thu nhỏ. Ví dụ, để phát hiện một vi sinh vật mang gen gây bệnh nào đó thì tất cả các bước
từ tách DNA, phản ứng khuếch đại DNA, lai DNA đều diễn ra trên chip. Quá trình phân
tích dữ liệu xảy ra ‚ON chip‛ [8].
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 6 -
Ngoài ra, một loại chip sinh học thứ ba là biosensor (cảm biến sinh học), nó có
chứa các thành phần như mạch điện, điện cực về nguyên tắc hoạt động cơ bản nó gần
giống như một array [43].
1.4.1. Thiết bò microfluidic
Hệ thống sắc kí khí thu nhỏ trên một vi mạch silicon được trình bày bởi S.C. Terry
vào những năm 1970 tại đại học Stanford được xem như thiết bò microfluidic đầu tiên. Tuy
nhiên, kó thuật này đã không phát triển xa hơn nữa cho đến khi sinh học phân tử, đặc biệt
là lónh vực gen học, tạo ra một tác động lớn đến những nghiên cứu trong công nghệ sinh
học, dược học [10].
Những thiết bò microfluidic sử dụng công nghệ vi chế tạo, đặc biệt là vai trò của kỹ
thuật quang khắc để tạo nên những buồng phản ứng, kênh dẫn, vi bơm, vi van, những bộ
lọc có kích thước μm (microfilter) và những đặc tính cấu trúc khác nhau để lưu chuyển
mẫu và chất phản ứng có thể tích μL trở xuống [11].

Trên chip dòng lưu chất di chuyển trong một hệ thống rãnh khép kín với kích thước
mặt cắt ngang khoảng 5 - 200 µm và diện tích toàn bộ chip là 2 ” 3 cm
2
[43]. Vì khả năng
tiến hành những thử nghiệm chẳng hạn như sự phân tách và xét nghiệm trên một con chip
nên một microfluidic chip còn được gọi là lab-on-a-chip (phòng thí nghiệm trên một con
chip).




Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo hệ
thống vi phân tích y – sinh
thông minh cho chẩn đoán
bệnh (Smart Bio-Medical
Microanalysis System for
point-of-care diagnostics,
gọi tắt là SBMD), một
dạng Lab-on-a-chip [53].



Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 7 -
Nghiên cứu trên microfluidic chip có thể đi từ những phản ứng tổng hợp sinh hóa
hay hóa học đến những phân tách để phân tích như điện di. Mở rộng ra, nó còn có khả
năng kết hợp chặt chẽ nhiều bước thí nghiệm khác nhau để đạt một sự phân tích đầy đủ
trên một con chip nên còn được gọi là m-TAS (hệ thống phân tích micrototal) _ khái niệm
được trình bày trên báo năm 1990 bởi Andreas Manz. Nhìn chung, lab-on-a-chip có thể
hợp nhất những chức năng như vận chuyển lưu chất, trộn lẫn, ủ và thậm chí phân loại

những lượng chất nhỏ nhất có thể [43].
1.4.2. Microarray
Microarray là những array với kích thước các chấm nhỏ trên mảng dao động trong
phạm vi micromet (khoảng 5 đến 200 μm). Theo mật độ các điểm phân bố trên mảng,
microarray được phân thành 3 loại: microarray mật độ thấp (low-density microarray) có
khoảng 80 đến 200 điểm trên một centimet vuông, microarray mật độ trung bình (medium-
density microarray) là 500 đến 10000 điểm, micrarray mật độ cao (high-density
microarray) là trên 10 000 điểm. Ngày nay đã sản xuất được những DNA microarray với
250 000 mẫu dò trên một centimet vuông [36].
Có thể xem kó thuật dot blot, hay đúng hơn kó thuật reverse dot blot, như tiền thân
của DNA array. Trong kó thuật reverse dot blot (ngược với dot blot) các trình tự mẫu dò sẽ
được cố đònh trên màng lai thay vì trình tự mục tiêu, còn bản thân trình tự mục tiêu thì
được đánh dấu cho phản ứng lai [2].
DNA array có cấu tạo căn bản gồm: một giá đỡ rắn (mảng) là phiến mỏng làm
bằng thủy tinh, silicon hoặc màng plastic, trên đó có các chấm nhỏ là vò trí cố đònh các
acid nucleic có trình tự xác đònh (mẫu dò), các chấm này phân bố thành dãy nhờ robot và
gắn dính đúng vò trí bằng hóa học. Mẫu dò có thể là RNA hoặc DNA như các
oligonucleotide hay cDNA, chúng có thể được tổng hợp trực tiếp ngay trên mảng hoặc lấy
từ ngân hàng cDNA sau đó khuếch đại bằng phương pháp PCR rồi đính lên trên mảng.
Acid nucleic cần nghiên cứu (đích) được đánh dấu phát huỳnh quang sau đó lai với mẫu dò
trên mảng [2].
những điều kiện lý tưởng, các acid nucleic có trình tự bổ sung sẽ bắt cặp chính
xác với nhau. Hơn nữa dưới các điều kiện này, cường độ phát tín hiệu tỷ lệ trực tiếp với
lượng mẫu dò nên có thể đònh lượng các loại acid nucleic trong mẫu ban đầu. Hình 1.1
minh họa cho cách thức hoạt động của một DNA microarray.
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 8 -

Hình 1.2. Cách thức hoạt động của một DNA Microarray [39].
Trên cơ sở DNA array, các mẫu dò có bản chất khác nhau đã được phát triển để tạo

ra protein array, PNA array, peptide array, glycan array, nanowire array, cantilever
array mang lại những ứng dụng hiệu năng cao hết sức đa dạng.

Hình 1.3. Kó thuật protein microarray [45].
a) Protein liên kết với chất nền epoxit. b) Tương tác giữa kháng thể sơ cấp và thứ cấp. Màu
vàng mô tả kháng thể sơ cấp liên kết với chất nền, màu xanh và đỏ lần lượt là kháng thể thứ
cấp được đánh dấu bằng Cy3- và Cy5 c) Dữ liệu của protein microarray hai màu có được
khi những mẫu kháng thể đơn dòng và đa dòng của thỏ và chuột được in dấu lên chất nền
epoxy và được nhuộm với một hỗn hợp tỷ lệ 1:1 của kháng thể thứ cấp kháng kháng thể thỏ
đánh dấu Cy3- và chuột đánh dấu Cy5 c) Dữ liệu huỳnh quang Cy3û và Cy5 được dòch ra.
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 9 -
1.4.3. Biosensor (sensor sinh học, cảm biến sinh học)
Sensor sinh học là thiết bò tương đối đơn giản, được cấu tạo từ 2 thành phần chính:
phần thụ thể sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi (biến năng, transducer). Ngoài 2
thành phần này thiết bò đọc thích hợp cần được gắn với phần chuyển đổi tín hiệu [3].
Tất cả sensor sinh học đều dựa vào đặc tính nhận dạng đặc hiệu mức độ cao để
phát hiện các đích cần phân tích và chứa một đế phù hợp để gắn mẫu dò. Phản ứng lai
giữa mẫu dò và đích trên bề mặt điện cực được transducer chuyển đổi thành tính hiệu phân
tích. Transducer có thể là thiết bò điện hóa, quang, phân tích trọng lượng hoặc điện. Trong
đó thiết bò điện hóa khá hoàn hảo và có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống đo lường
hiện có. Các sensor sinh học điện hóa cho phép nhận biết những phân tử đích nhanh, đơn
giản và với chi phí thấp [29].
Sensor sinh học khác với những sensor thông thường ở điểm, nó hoạt động theo các
phản ứng chọn lọc của vật thể sinh học vì vậy điểm quan trọng của sensor sinh học phải
gắn cố đònh với hợp chất có khả năng nhạy cảm với sự thay đổi của điều kiện bên ngoài.
Hợp chất này bao gồm hợp chất huỳnh quang hữu cơ, Quantum dot, hệ polymer thông
minh như polymer liên hợp (Conjugated Polymers) [5].
Đối với các ứng dụng sensor sinh học, các phản ứng tương tác đặc trưng của DNA
(như giữa DNA và cDNA ” DNA bổ sung, DNA ” RNA), của protein (như thụ thể ”

hormone, kháng thể ” kháng nguyên) là cơ sở để DNA sensor, protein sensor nhận dạng
các phân tử đích. Đặc biệt đối với DNA sensor, sự kết hợp theo cặp base của DNA mẫu dò
(dạng sợi đơn gắn trên bề mặt transducer) với các trình tự DNA bổ sung rất đặc hiệu và
tương đối bền [17].

Hình 1.4. Hình minh họa cho một cảm biến DNA điện tử [44].
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 10 -
Tuy có một vài điểm tương đồng với array nhưng trên một sensor sinh học vai trò
mà nó đảm nhiệm là lớn hơn nhiều. Sensor sinh học là linh kiện cảm biến có thể sử dụng
để cấy ghép vào cơ thể sống của sinh vật. Thiết bò nhạy cảm này có khả năng nhận thức
được sự thay đổi của cơ thể sống theo sự thay đổi về điện, quang, nhiệt xảy ra do tác dụng
tương hỗ sinh học hay phản ứng trong cơ thể sống. Ví dụ, phản ứng của các enzyme, kháng
thể, kháng nguyên, DNA, homonereceptor. Những thay đổi này dẫn đến sự thay đổi tín
hiệu về điện hóa (electrochemical), về điện, huỳnh quang, phát màu, SPR (surface
Plasmon Resonance), hay thay đổi về nhiệt. Những biến đổi này được ghi nhận thông qua
máy ghi nhận biến đổi (transducer) [5].
1.5. Thành tựu và giới hạn của dụng cụ vi phân tích
Có nhiều lí do thuyết phục tại sao những dụng cụ vi phân tích sẽ được sử dụng phổ
biến trong phân tích. Những thiết bò vi phân tích này nhỏ gọn và cô đọng nên thích hợp để
sử dụng cho môi trường ngoài phòng thí nghiệm, nơi mà những dụng cụ phân tích xách tay
là cần thiết. Thể tích mẫu cần cho phân tích được giảm bớt từ nL đến pL, như vậy có lợi
cho thử nghiệm điều trò vì nó giảm lượng máu trích ra từ bệnh nhân. Điều này cũng đi đôi
với việc giảm thể tích chất phản ứng cần thiết trong mỗi thí nghiệm, từ đó sẽ mang lại lợi
ích kinh tế.
Những dụng cụ vi phân tích có thể cải thiện độ tin cậy trong quá trình phân tích
thông qua việc tiến hành nhiều thí nghiệm song song đồng thời. Mức độ những thí nghiệm
dư thừa này mang đến sự an toàn trong phân tích, điều mà không dễ gì đạt được với những
thiết bò phân tích quy mô lớn.
Một thành tựu then chốt của những thiết bò vi phân tích này là khả năng tích hợp tất

cả các bước của một quy trình phân tích phức tạp bên trong một thiết bò riêng lẻ. Trên một
chip sinh học người ta có thể thiết kế những cấu trúc để thực hiện những nhiệm vụ riêng
biệt như thêm mẫu, phản ứng, phân tích và xuất kết quả chỉ trên một microchip kích thước
2×2 cm hay nhỏ hơn. Ngoài ra, một số thành phần vi thu nhỏ (ví dụ, vi bơm, vi van) có mặt
trên chip nhằm tăng thêm tính năng cho thiết bò [41].
Bên cạnh những tiện ích mang lại, thiết bò này cũng có một vài hạn chế. Vì thể tích
mẫu lấy là rất nhỏ (µL đến nL) nên một mối lo lắng đặt ra là lấy mẫu đại diện từ vật mẫu
như thế nào? Đây là vấn đề của những mẫu xét nghiệm sinh học không đồng nhất, chứa
đựng sự sai biệt thành phần (như tế bào, protein, lipid). Ví dụ, một mẫu máu thể tích nhỏ
hơn microlit thì không chắc là có chứa những tế bào hiếm chẳng hạn như những
trophoplast trong dòng tuần hoàn máu chính, đó là những tế bào chỉ hiện diện trong một
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 11 -
phần triệu hay một phần mười triệu tế bào. Một vấn đề khác nữa là khả năng phát hiện
của chip khi lượng mẫu là quá nhỏ. Nếu mẫu gốc chỉ chứa 1 femtomole/L phân tử cần phát
hiện, khi lấy 1 µL mẫu thì trong đó sẽ có 600 phân tử (1×10
”15
×10
”6
×6.10
23
). Nếu kích
thước mẫu được giảm xuống nL, vậy số phân tử giảm xuống một ngàn lần, tức là ít hơn 1
phân tử (600×10
”3
) và sẽ không thể phát hiện ra được [29].
Bảng 1.1. Thành tựu và giới hạn của những dụng cụ vi phân tích [27]
Thành tựu
Giới hạn
- Nhỏ gọn, có thể xách tay.

- Tiêu thụ năng lượng ít.
- Giá thành sản xuất thấp.
- Sản xuất hàng loạt.
- Phạm vi ứng dụng đa dạng.
- Tích hợp nhiều bước trong một
chu trình phân tích .
- Giao diện con người.
- Sử dụng một mẫu đại diện
- Vượt khỏi những giới hạn phát hiện phân
tích.
1.6. Sơ lược các phương pháp chế tạo Chip
Các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong chế tạo chip sinh học được phỏng theo những kỹ
thuật trong công nghiệp vi điện tử (ví dụ, kỹ thuật quang khắc trên thiết bò bằng thủy tinh,
silicon) hay từ công nghiệp in (ví dụ, kỹ thuật in phun mực). Khuynh hướng hiện nay trong
vi chế tạo là sản xuất những microchip từ plastic, do dễ sản xuất và giá thành rẻ hơn chip
silicon hay thủy tinh, thêm nữa nó mang đến tính linh hoạt thú vò hơn trong thiết kế [27].
Bảng1.2. Những vật liệu và phương pháp chế tạo [42]
Vật liệu
 Acrylic copolymer
 Thủy tinh
 Chất cảm quang (photoresist)
 Polyacrylamide
 Polycarbonate
 Poly(dimethylsiloxane)
 Polymethyl methacrylate
 Polypropylene
 Thạch anh
 Silicon
Phương pháp chế tạo
 In tiếp xúc

 Liên kết đồng hóa trò
 Kỹ thuật lắng đọng
 Kỹ thuật rập nổi.
 Kỹ thuật cắt bằng lase.
 In vi tiếp xúc
 Kỹ thuật khắc nhờ phản ứng ion.
 Liên kết bằng nhiệt.
Chương 1: Tổng quan về Biochip
- 12 -
 Kỹ thuật tiêm khuôn.
 Kỹ thuật in phun.
 Tổng hợp tại chỗ.
 Kỹ thuật khắc ướt.
 Kỹ thuật khắc khô.
 Kỹ thuật quang khắc
1.7. Các phương pháp phát hiện trên Chip
Trong tất cả các phương pháp phát hiện trên chip, phương pháp phát huỳnh quang
hiện vẫn đang chiếm ưu thế. Tùy từng trường hợp, từng ứng dụng và từng loại chip được
chế tạo mà những chất phát huỳnh quang khác nhau sẽ được lựa chọn để mang lại kết quả
phát hiện rõ nhất. Chẳng hạn, sự phát huỳnh quang cảm ứng bằng lase (LIF) được sử dụng
rộng rãi đối với chip điện di mao dẫn nhằm phát hiện thành phần được phân tách [12, 18,
22]. Phương pháp phát huỳnh quang một màu và hai màu được phát minh để sử dụng trong
cho microarray [27].
Phương pháp phát quang bằng phản ứng hóa học cũng được sử dụng để nghiên cứu
những phản ứng trên những biochip, ví dụ, những xét nghiệm gen và xét nghiệm miễn dòch
thực hiện trên microarray. Ngoài ra còn có những phương pháp phát hiện khác như phát
quang bằng phản ứng điện hóa [7], và những phương pháp điện hóa [40]. Những phương
pháp đònh tính cũng có một vai trò quan trọng trong những phương pháp vi phân tích.
1.8. Tình hình phát triển và thò trường Biochip
Sự thiết kế, tạo dựng và thử nghiệm những dụng cụ vi phân tích đang phát triển với

tốc độ nhanh chóng. Xuất hiện hàng loạt những công ty giữ vai trò tiên phong trong lónh
vực này (ví dụ, ACLARA Biosciences, Advanced BioAnalaytical Services, Affymax,
Affymetrix, Caliper Technologies, Cepheid, Incyte, Clinical Microsystems, Microcosm
Technologies, Micronics, Nanogen, Orchid Biocomputer, Sequenom, Synteni ), một tạp
chí chuyên đề (Biomedical Microdevices, ), một loạt những website
(www.genechip.com), và một danh mục vốn đầu tư phát triển những giấy phép bảo hộ độc
quyền nhãn hiệu công nghệ này [27].
DNA chip được công bố lần đầu vào năm 1995. Đến nay hơn 20 công ty bán thiết bò
này cùng với những phần mềm phân tích liên quan như Affymetrix, Aligent Technologies,
Amersham Biosciences, Axon Instruments, BioDiscovery, Clontech, Genomic Solutions,
Mergen, Motorola Life Sciences, Nanogen, Partek, PerkinElmer, Rosseta Inpharmatics,
Spotfire (Hoa Kỳ); Virtek Vision International (Canada) [3]
Các công ty chính bán, phát triển sản phẩm hay cung cấp dòch vụ liên quan đến
protein chip là Biocore International (Thụy Điển), Biosite Diagnostic, Ciphergen, Lagre
Scale Biology (Hoa Kỳ) [3]
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
- 13 -
Chương 2: ĐẠI CƯƠNG KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA BIOCHIP
2.1. Kỹ thuật quang khắc (photolithography) trong vi chế tạo biochip
2.1.1. Polymer cảm quang
Polymer cảm quang là những polymer nhạy cảm với các nguồn ánh sáng.
Photoresist (chất cảm quang) là một dạng đặc biệt của polymer cảm quang, chúng được
ứng dụng rộng rãi trong lónh vực quang khắc, có khả năng tạo hình ảnh nổi (relief) trên sản
phẩm và giúp chống lại quá trình khắc ăn mòn trên bề mặt sản phẩm [5].
Polymer cảm quang nói chung và photoresist nói riêng gồm có 2 loại [5]: (1) loại
tạo ảnh dương là hệ các polymer có trọng lượng phân tử lớn, dưới tác dụng của các bức xạ
sẽ chuyển sang các monomer hoặc các polymer có trọng lượng phân tử thấp hơn, có khả
năng hòa tan tốt hơn trong dung môi thích hợp. Hay polymer ban đầu (có chứa các nhóm
chức nhạy quang) là loại khó hòa tan, dưới tác dụng của bức xạ sẽ hiệu chỉnh nhóm chức
để tan dễ hơn, và (2) loại tạo ảnh âm là các hệ mà ban đầu là hệ dễ hòa tan, sau chuyển

sang dạng khó hòa tan do thực hiện các phản ứng quang polymer hóa tạo mạng ngang hay
được hiệu chỉnh nhóm chức.
2.1.2. Quang khắc (photolithography)
Quang khắc (photolithography) là cơ sở của công nghệ chế tạo các thiết bò kích
thước nanomet ngay từ khi kó thuật này được phát minh vào khoảng 50 năm trước. Về cơ
bản tất cả các máy tính và các con chip của các hệ thống viễn thông đều được chế tạo bởi
công nghệ này. Công nghệ quang khắc hiện đại nhất ngày nay dựa trên hệ thông chiếu - in
(projection ” printing system). Ảnh của mặt nạ (hình 2.1) được khử và được chiếu vào một
màng mỏng chất cảm quang (photoresist). Màng mỏng photoresist được phủ bằng phương
pháp spin ” coating. Độ phân giải được giới hạn bởi sự nhiễu xạ Rayleigh [5]. Phương
pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử.
Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này
được khuyếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask). Mặt nạ là một tấm chắn
sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (vùng bò che sáng) để che không cho ánh sáng
chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi.
Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần tạo, sau đó
nó được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ [11].
Mặt nạ là một tấm thủy tinh có hình ảnh. Hình ảnh được tạo bằng cách ăn mòn có
chọn lọc lớp crom mỏng (khoảng 70 nm) phủ trên tấm thủy tinh tạo vùng tối và vùng sáng.
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
- 14 -
Khi chiếu ánh sáng qua chỗ nào không có crom thì cho ánh sáng đi qua, chỗ nào có crom
sẽ cản ánh sáng (hình 2.1).

Hình 2.1. Mặt nạ quang [52].
Nguyên tắc của phương pháp này như sau: Vật liệu photoresist được phủ sau đó gia
nhiệt để tẩy sạch các dung môi đã sử dụng. Vật liệu photoresist này được phơi (exposure)
trong ánh sáng tử ngoại, tia X hoặc một chùm electron hội tụ chiếu vào. Lớp photoplyme
vừa bò chiếu sáng được hiện hình bởi một dung môi thích hợp để tạo ra ảnh. Nếu sau quá
trình chiếu sáng, màng photoresist dễ hòa tan hơn trong dung dòch hiện hình, ta nhận được

ảnh dương (quá trình quang khắc dương) hoặc khó hòa tan hơn trong dung dòch hiện hình,
ta nhân được ảnh âm (quá trình quang khắc âm) (hình 2.2). Lớp màng photoresist còn lại
sau hiện hình hoặc là được sử dụng như một khuôn cho sự lắng đọng vật liệu khác nhau,
hoặc dùng chính bản thân nó làm sản phẩm. Khung polymer bảo vệ các phần đó không bò
ảnh hưởng bởi các chất ăn mòn. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để chế tạo các CHIP
và các SENSOR phức hợp. Các giai đoạn cơ bản để tạo quang khắc được tóm tắt trong
hình 2.2.

Hình 2.2. Sơ đồ các bước của quá trình quang khắc [52]
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
- 15 -
2.2. Microfluidic
2.2.1. Vật liệu chế tạo thiết bò Microfluidic và phương pháp vi chế tạo
Nhiều vật liệu khác nhau đang được sử dụng để chế tạo các thiết bò và hệ thống
microfluidic. Silicon là một trong những vật liệu phổ biến nhất trong chế tạo micro/nano do
sự gia công cơ khí micro của nó đã được thiết lập tốt trong nhiều thập kỷ. Nhìn chung, lợi
thế của việc sử dụng silicon như một vật liệu nền hay cấu trúc là do đặc tính cơ học tốt, độ
bền hóa học hoàn hảo, kỹ thuật gia công được mô tả tốt và khả năng tích hợp mạch cảm
biến/kiểm soát giống như chất bán dẫn [11]. Những vật liệu khác chẳng hạn như thủy tinh,
thạch anh, gốm, kim loại và polymer cũng được sử dụng như chất nền và cấu trúc trong
chế tạo micro/nano, tùy thuộc vào ứng dụng. Trong số những vật liệu này, polymer hay
plastic gần đây trở thành một trong những vật liệu đầy hứa hẹn với những ứng dụng trong
lab-on-a-chip, nhờ đặc tính vật liệu tuyệt vời của chúng đối với chất lỏng sinh hóa và chi
phí sản xuất thấp. Vấn đề chính trong chế tạo các thiết bò và hệ thống microfluidic thường
nằm ở việc hình thành các kênh vi lưu, những cấu trúc micro/nano then chốt của lab-on-a-
chip [11].
2.2.1.1. Silicon
Những kênh vi lỏng trên chất nền silicon thường được hình thành cả bằng thuật
khắc ướt (hóa học) và thuật khắc khô (plasma). Kali hydroxide (KOH), tetra-methyl
ammonium hydroxide (TMAH), và ethylene diamine pyrocatechol (EDP) thường được sử

dụng như chất khắc ăn mòn silicon không đẳng hướng. Trong hầu hết trường hợp, silicon
dioxide (SiO
2
) hay silicon nitride (Si
3
N
4
) được sử dụng như vật liệu che chắn trong suốt
quá trình khắc [11].
Ngoài ra, cũng có một quy trình khắc ướt đẳng hướng sẵn có sử dụng một hỗn hợp
của acid fluoric (HF), acid nitric (HNO
3
), và acid acetic (CH
3
COOH), được gọi là ‚HNA‛.
HNA khắc theo tất cả các hướng với tốc độ khắc như nhau [11]. Hình mô tả dạng hình
khắc ướt đẳng hướng và không đẳng hướng.


Hình 2.3. Thuật khắc ướt của chất nền silicon [11].
Khắc đẳng hướng (a)
và không đẳng hướng (b,c).