(Luận án tiến sĩ) Nghiên Cứu, Phát Triển Hệ Thống Vi Bơm Tích Hợp Chức Năng Trộn Sử Dụng Cấu Trúc Vòi Phun Định Hướng Ứng Dụng Trong Y Sinh Học

ĐẠI HỌC QUÞC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN LUÂN

ĐẠI HỌC QUÞC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN LUÂN

3 Măc tiêu nghiên cću 5

4 Nái dung nghiên cću 6

5 Ph°¢ng pháp nghiên cću 6

6 Ý nghĩa khoa hãc và thực tißn 7

7 CÃu trúc nái dung cąa luÁn án 7

1.1.3 Phần tử vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van 27

1.1.4 Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán 33

2.1 Vi b¢m kÃt hāp chćc nng trán sā dăng cÃu trúc vòi phun 46

2.1.1 Cấu trúc vi bơm kết hợp chức năng trộn 46

2.1.2 Nguyên lý ho¿t ộng của vi bơm ề xuất 49

2.1.3 CÁm biến iện dung và iện cực 51

2.2 Mô phỏng ho¿t đáng cąa vi b¢m đÅ xuÃt 53

2.2.1 Thiết lập mô phỏng chức năng bơm 53

2.2.2 Thiết lập mô phỏng chức năng trộn 57

2.3 KÃt quÁ mô phỏng 60

2.3.1 Mô phỏng ho¿t ộng của màng bơm PZT 60

2.3.2 Mô phỏng quá trình tương tác của chất lỏng trong vi bơm 63

2.3.3 Kết quÁ mô phỏng chức năng trộn 65

2.3.4 Tối ưu hóa cấu trúc vòi phun/khuếch tán 68

2.3.5 Kết quÁ mô phỏng cÁm biến iện dung 71

CH¯¡NG 3 CH T¾O Hà VI B¡M VÀ ĐIÄU KHIÆN 73

3.1 Chà t¿o vi b¢m tích hāp bá trán 73

3.1.1 Thiết kế thân vi bơm 73

3.1.2 Chế t¿o thân vi bơm 76

3.2.3 Thí nghiệm cÁm biến iện dung 84

CH¯¡NG 4 KHÀO SÁT, ĐÁNH GIÁ HO¾T ĐàNG CĄA VI B¡M 86

4.1 Thā nghiám chćc nng b¢m 86

4.1.1 Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng là nước 86

4.1.2 Thử nghiệm hiệu suất bơm với các chất lỏng khác 90

4.1.3 Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác nhau 92

4.2 Thā nghiám chćc nng trán 95

4.2.1 Trộn với chất lỏng nhuộm màu 95

4.2.2 Trộn với chất lỏng không hoà tan 99

4.2.3 Kết quÁ thử nghiệm cÁm biến iện dung 100

4.3 Ćng dăng vi b¢m cho thiÃt bá truyÅn dách trong y tà 104

4.3.1 Thông số và chức năng của thiết bị 104

4.3.2 Sơ ồ khối m¿ch o và iều khiển 104

4.3.3 Giao diện và kiểu dáng 106

4.3.4 Thử nghiệm thiết bị truyền dịch 107

KÂT LUÀN VÀ KIÂN NGHà 111

DANH MĂC CÔNG TRÌNH KHOA HâC CĄA TÁC GIÀ LIÊN QUAN ĐÂN LUÀN ÁN 113

TÀI LIàU THAM KHÀO 115

DANH MĀC CÁC CHĂ VI¾T TÂT Chă vi¿t

MEMS Microelectromechanical Systems Há vi c¢ đián tā

µTAS Micro Total Analysis System Vi há thßng phân tích tãng hāp

BÀNG CHÚ GIÀI CÁC KÝ HIàU Ký hiáu,

b¢m

T , Kelvin Nhiát đá tuyát đßi ρ, kg/m3MÁt đá l°u chÃt

cực

�㕘∞,i, mol/m3Náng đá ion cąa chÃt i

Há sß khuêch tán cąa phÅn tā vòi

phun/khuÃch tán

E , V/m C°ßng đá đián tr°ßng ß Hiáu suÃt chßnh l°u cąa vi b¢m

µ, Ns/m2Đá nhớt đáng hãc þ, mol/m2s Véc t¢ thông l°āng khuÃch tán

ÿĀ, m ChiÅu dày lớp đián áp

DANH MĀC CÁC BÀNG

BÁng 1.1 Đánh giá các lo¿i bộ trộn chủ ộng 40

BÁng 2.1 Tính chất vật lý của vật liệu dùng trong mô phỏng 54

BÁng 2.2 Các thông số sử dụng trong mô phỏng chức năng trộn 59

BÁng 2.3 Kích thước vòi phun/khuếch tán trước và sau cÁi tiến 70

BÁng 2.4 So sánh hiệu suất của vi bơm trước và sau cÁi tiến 70

BÁng 3.1 Thông số cơ bÁn của vật liệu VeroClear RGD810 77

BÁng 3.2 Thông số màng PZT 77

BÁng 3.3 Tính chất vật lý của nước và dung dịch Glycerin 82

BÁng 4.1 So sánh thông số một số vi bơm sử dụng màng bơm PZT 94

BÁng 4.2 BÁng sai số thể tích truyền ở các tốc ộ truyền khác nhau 107

DANH MĀC CÁC HÌNH VẼ, Đà THÞ

Hình 1 Sơ ồ khối của một hệ thống phân phối thuốc 3

Hình 2 Hệ thống cÁm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn 4

Hình 1.1 Mô hình nguyên lý làm việc của một vi bơm iện hóa dùng trong ứng dụng bơm thuốc 10

Hình 1.2 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm bong bóng 12

Hình 1.3 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm iện thẩm 14

Hình 1.4 Cơ chế ho¿t ộng của vi bơm từ thủy ộng học 15

Hình 1.5 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm EHD 17

Hình 1.6 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm tĩnh iện 18

Hình 1.7 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm áp iện 20

Hình 1.8 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén 23

Hình 1.9 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm iện từ 24

Hình 1.10 Mô hình vi bơm nhu ộng với 3 buồng nối tiếp 26

Hình 1.11 Mô hình vi bơm pít tông sử dụng van một chiều 28

Hình 1.12 Thiết kế chung của phần tử vòi phun/khuếch tán 29

Hình 1.13 Sự suy giÁm áp suất trên phần tử vòi phun/khuếch tán t¿i các vùng khác nhau 31

Hình 1.14 Mô hình ho¿t ộng của vi bơm không van 33

Hình 1.15 Vòi phun/khuếch tán có cấu trúc thông thường (a), cấu trúc hai vây (b) và cấu trúc có vật cÁn (c) 36

Hình 1.16 Các cấu trúc hình học cơ bÁn của bộ trộn vi lỏng 37

Hình 1.17 Một số cấu trúc phức t¿p của bộ trộn vi lỏng 38

Hình 1.18 Thiết kế của một số bộ trộn chủ ộng 39

Hình 2.1 Mô hình vi bơm sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu cũ 47

Hình 2.2 Cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu mới 47

Hình 2.3 Mô hình vi bơm ề xuất với cấu trúc vòi phun/khuếch tán mới 48

Hình 2.4 Mô hình thiết kế 3D của vi bơm tích hợp bộ trộn 49

Hình 2.5 Quá trình hút và xÁ của vi bơm 50

Hình 2.6 Tụ iện song song 52

Hình 2.7 Điện cực cÁm biến diện dung sử dụng trong vi bơm 53

Hình 2.8 Mô hình ối xứng của vi bơm dùng cho mô phỏng 55

Hình 2.9 Thiết lập iều kiện biên cho mô phỏng chức năng trộn 60

Hình 2.10 Sự biến d¿ng của màng PZT khi có iện áp ặt vào 61

Hình 2.11 Biên ộ biến d¿ng t¿i tâm của màng PZT với các iện áp khác nhau 61

Hình 2.12 Đáp ứng của biến d¿ng so với iện áp ặt vào màng PZT 62

Hình 2.13 Hiệu ứng hút và xÁ quan sát t¿i cấu trúc vòi phun/khuếch tán 63

Hình 2.14 Tốc ộ dòng chÁy tức thời ở ầu vào và ầu ra với f = 100 Hz 64

Hình 2.15 Mô phỏng quá trình trộn ở tần số 100 Hz 66

Hình 2.16 Dòng chÁy và nồng ộ của chất lỏng ở tần số 100 Hz 67

Hình 2.17 Nồng ộ trung bình t¿i ầu ra ở các tần số khác nhau 67

Hình 2.18 Mô hình mô phỏng tối ưu cấu trúc vòi phun/khuếch tán 69

Hình 2.19 Thể tích chất lỏng bơm ược trong ba chu kỳ với các góc mở khác nhau 69

Hình 2.20 Mặt cắt ngang và kích thước vòi phun/khuếch tán trước (a) và sau cÁi tiến (b) 70

Hình 2.21 Mô phỏng cÁm biến iện dung với dung dịch NaCl 71

Hình 3.1 Thiết kế chi tiết thân vi bơm (a) 74

Thiết kế chi tiết thân vi bơm (b) 75

Hình 3.2 Hình Ánh thân vi bơm chế t¿o bằng công nghệ in 3D với ường kính buồng bơm khác nhau: (a) 35mm và (b) 20mm 77

Hình 3.3 Hình vẽ biểu diễn quá trình lắp ghép các thành phần ể t¿o thành bộ vi bơm tích hợp chức năng trộn 78

Hình 3.4 Hình Ánh thân vi bơm sau khi chế t¿o và óng gói 79

Hình 3.5 Sơ ồ m¿ch dao ộng LC của iện cực cÁm biến 80

Hình 3.6 M¿ch o và xử lý dữ liệu 80

Hình 3.7 Sơ ồ thí nghiệm chức năng bơm 81

Hình 3.8 Sơ ồ thí nghiệm chức năng trộn 82

Hình 3.9 Phương pháp phân tích màu sắc ể ánh giá hiệu suất trộn của vi bơm 83

Hình 3.10 Sơ ồ thí nghiệm cÁm biến iện dung 84

Hình 3.11 Hình Ánh thí nghiệm thực tế 85

Hình 4.1 Thí nghiệm xác nhận hiệu ứng bơm 87

Hình 4.2 Thí nghiệm xác ịnh mối quan hệ giữa tần số iều khiển và lưu lượng bơm ở iện

áp 220V 87

Hình 4.3 Thí nghiệm xác ịnh mối quan hệ giữa tần số iều khiển và lưu lượng bơm ở iện áp 90V 88

Hình 4.4 Thí nghiệm xác ịnh mối quan hệ giữa tần số iều khiển và áp suất bơm 89

Hình 4.5 Quan hệ giữa iện áp iều khiển và áp suất bơm t¿i tần số 100 Hz 90

Hình 4.6 Lưu lượng bơm ở iện áp 220 V và các tần số khác nhau ứng với các chất lỏng: nước, hỗn hợp glycerin-nước nồng ộ khác nhau 91

Hình 4.7 Ành hưởng của ường kính màng bơm PZT tới lưu lượng bơm 92

Hình 4.8 Ành hưởng của ường kính màng bơm PZT tới áp suất và lưu lượng của bơm ở tần số cộng hưởng 93

Hình 4.9 Hiệu ứng trộn t¿i kênh ầu ra khi không có iện áp iều khiển 95

Hình 4.10 Hiệu ứng trộn t¿i kênh ầu ra khi có iện áp 220Vppở tần số 10Hz (a) và 100Hz (b) 96

Hình 4.11 Hình Ánh phân tích màu và mức xám của Ánh chụp t¿i kênh ra của vi bơm ứng với tần số 10Hz (a) và 100Hz (b) 97

Hình 4.12 Các vị trí ánh giá hiệu suất trộn của vi bơm 97

Hình 4.13 Đánh giá khÁ năng trộn theo mã màu t¿i kênh ầu ra của vi bơm 99

Hình 4.14 Thí nghiệm bơm với chất lỏng không hòa tan 100

Hình 4.15 Giá trị iện dung của iện cực o ược trong khoÁng thời gian 4 phút với chất lỏng t¿i kênh ầu ra là nước 101

Hình 4.16 Giá trị iện dung o ược ứng với các chất lỏng bơm khác nhau 102

Hình 4.17 Giá trị iện dung thay ổi trong quá trình chuyển từ dung dịch NaCl 30% sang nước tinh khiết và ngược l¿i 103

Hình 4.18 Sơ ồ khối m¿ch iều khiển vi bơm 105

Hình 4.19 Thiết bị truyền dịch sử dụng vi bơm kết hợp bộ trộn 106

Hình 4.20 Thử nghiệm ánh giá sai số thể tích truyền trong 30 phút ở các tốc ộ khác nhau 108

Mà ĐÄU 1 Tính cÃp thi¿t căa đÁ tài

MEMS là viÃt tÃt cąa há thßng vi c¢ đián tā (MicroElectroMechanical System) Đây là mát thuÁt ngă ráng, có liên quan đÃn thiÃt kÃ, ph°¢ng pháp, c¢ chà chà t¿o vi mô cho viác hián thực hóa các thành phÅn cÃu thành các bá phÁn c¢ khí chuyÇn đáng á quy mô siêu nhỏ (cÿ micromet) MEMS nghiên cću chuyÇn đãi các há thßng c¢ hãc cáng kÅnh, truyÅn thßng thành các há thßng c¢ hãc thay thà thu nhỏ, có hiáu suÃt tßt h¢n và có khÁ nng sÁn xuÃt hàng lo¿t cao, t°¢ng tự nh° nhăng gì công nghá m¿ch tích hāp và bán d¿n đã làm cho các há thßng đián và đián tā

Trong nhăng nm đÅu cąa thà kỷ 21, công nghá MEMS đã đ°āc áp dăng cho nhu cÅu cÃp thiÃt cąa ngành y sinh, qua đó, đẩy m¿nh mát lĩnh vực nghiên cću mới có tên gãi là Microfluidics - Công nghá vi l°u Công nghá vi l°u liên quan đÃn viác thiÃt kà và phát triÇn các thiÃt bá thu nhỏ mà có thÇ tích hāp cÁm biÃn, b¢m, trán, thao tác, theo dõi và kiÇm soát l°u l°āng chÃt lỏng rÃt nhỏ Sự phát triÇn cąa các há thßng vi l°u đã nhanh chóng ćng dăng ráng sang nhiÅu lĩnh vực khác nhau Các ćng dăng chính cąa há thßng vi l°u là phân tích hóa hãc, cÁm biÃn sinh hãc và hóa hãc, phân phßi thußc, phân tách phân tā, phân tích DNA, khuÃch đ¿i, xác đánh trình tự hoặc tãng hāp axit nucleic và theo dõi môi tr°ßng

Viác sā dăng MEMS cho măc đích sinh hãc (BioMEMS) đã thu hút sự quan tâm cąa nhiÅu nhà nghiên cću Tr°ớc nhu cÅu cÃp thiÃt cąa y hãc là chà t¿o các há thßng phân phßi thußc vi mô, viác sā dăng công nghá vi chà t¿o (micromachining) đÇ triÇn khai măc tiêu này là mát xu h°ớng hián đ¿i hián nay Că thÇ, các thiÃt bá phân phßi thußc bằng kênh d¿n vi l°u dựa trên MEMS đang đ°āc nghiên cću nh°: các thiÃt bá thẩm thÃu qua da bằng vi kim, các thiÃt

bá sā dăng vi b¢m, các thiÃt bá dùng bá chća vi mô và các thiÃt bá MEMS có thÇ phân hąy sinh hãc

Nh° chúng ta biÃt, các ph°¢ng pháp phân phßi thußc thông th°ßng là đ°a thußc vào c¢ thÇ ng°ßi qua đ°ßng ußng, đ°ßng hít thá và đ°ßng tĩnh m¿ch Với các ph°¢ng pháp phân phßi đó, thußc sÁ phân tán đÃn nhiÅu bá phÁn khác cąa c¢ thÇ và có thÇ gây ra mát sß Ánh h°áng không mong mußn Thêm vào đó, l°āng thußc đ°a vào c¢ thÇ có thÇ nhiÅu h¢n hoặc ít h¢n so với nhu cÅu cąa măc đích điÅu trá Nhìn chung, hÅu hÃt các lo¿i thußc đÅu hiáu quÁ nÃu đ°āc phân phßi đúng theo mát hàm l°āng că thÇ, nằm giăa mćc tßi đa và tßi thiÇu mong mußn NÃu quá mćc tßi đa, chúng sÁ gây ngá đác và nÃu d°ới mćc tßi thiÇu, chúng l¿i không có tác dăng điÅu trá Với các ph°¢ng pháp phân phßi thußc thông th°ßng nh° qua đ°ßng ußng bằng miáng, v.v , thì hàm l°āng thußc ban đÅu đ°āc đẩy m¿nh, sau đó giÁm nhanh xußng d°ới mćc điÅu trá H¢n năa, trong thực tÃ, đÇ đ¿t đ°āc hiáu quÁ điÅu trá thì cÅn phÁi phßi hāp nhiÅu lo¿i thußc với tỷ lá chính xác Vì vÁy, nhu cÅu chà t¿o thiÃt bá phân phßi thußc có thÇ điÅu khiÇn đ°āc là nhu cÅu cÃp bách hián nay ThiÃt bá này phßi trán hàm l°āng thußc thích hāp nhß bá điÅu khiÇn có c¢ chà tính toán chính xác và giÁi phóng vào thßi điÇm thích hāp bằng c¢ chà vi truyÅn đáng nh° thiÃt bá vi b¢m Lāi ích cąa viác giÁi phóng thußc có kiÇm soát là cung cÃp thußc t¿i vá trí că thÇ, giÁm tác dăng phă và tng hiáu quÁ điÅu trá

Mát sß tr°ßng hāp đặc biát, viác phân phßi thußc l¿i là sự kÃt hāp, pha trán cąa hai hoặc nhiÅu lo¿i thußc khác nhau với các tỷ lá khác nhau t¿i mßi thßi điÇm và vai trò cąa mát bá trán trong tr°ßng hāp này là không thÇ thiÃu Nh° vÁy, mát há thßng phân phßi thußc tích hāp có thÇ sÁ bao gám há thßng vi b¢m, há thßng trán, há thßng điÅu khiÇn chính xác nh° mô tÁ trong Hình 1 Há thßng trán làm nhiám vă trán thußc trong các kênh d¿n thông qua viác thay đãi

l°u l°āng đ°āc điÅu khiÇn chính xác bái há thßng điÅu khiÇn Sau đó, há thßng vi b¢m đẩy thußc đÃn đÅu ra Ngoài ra, mát há thßng cÁm biÃn đ°āc đặt t¿i đÅu ra, với nhiám vă xác đánh hàm l°āng thußc và tác đáng trá l¿i bá điÅu khiÇn đÇ thay đãi tß lá trán hoặc l°u l°āng b¢m nÃu các giá trá này ch°a chính xác theo yêu cÅu mong mußn

Hình 1 Sơ đồ khối của một hệ thống phân phối thuốc

à mát khía c¿nh khác, vi b¢m, bá trán& cũng là nhăng thiÃt bá thiÃt yÃu trong các há thßng vÁn chuyÇn chÃt lỏng, chẳng h¿n nh° Vi há thßng phân tích tãng hāp (µTAS - Micro Total Analysis System), Há thßng xét nghiám t¿i chß (POCT - Point of Care Testing) hoặc Há thßng phòng thí nghiám trên chip (LoC - Lab on a Chip) Các thiÃt bá vi c¢ này đ°āc sā dăng nh° mát phÅn cąa há thßng tích hāp xét nghiám nhanh bằng mát con chip bao gám buáng chća vi mô (microreservoirs), vi kênh (microchannel), vi b¢m (micropump), bá vi trán (micromixer) và há thßng vi cÁm biÃn (microsensor) đÇ vÁn chuyÇn chính xác các chÃt lỏng hóa hãc và sinh hãc á mćc vi mô Há thßng xét nghiám nhanh t¿i gi°ßng bánh dùng đÇ tiÃn hành phân tích chẩn đoán t¿i chß nhằm cung cÃp dách vă chm sóc sćc khỏe và cÁi thián chÃt l°āng cuác sßng tßt h¢n Trong các há thßng chẩn đoán kÇ trên, vi b¢m và bá trán là thành phÅn không thÇ thiÃu (Hình

2) đÇ đÁm bÁo há thßng ho¿t đáng chính xác Vì vÁy, viác nghiên cću há thßng vi b¢m, bá trán là b°ớc quan trãng và cÅn thiÃt

Hình 2 Hệ thống cÁm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn

NhÁn thÃy vai trò to lớn và khÁ nng ćng dăng cąa vi b¢m và bá trán trong lĩnh vực y sinh hãc, hián nay, trên thà giới đã có nhiÅu nhóm nghiên cću vÅ các thiÃt bá này nhằm t¿o ra các sÁn phẩm ćng dăng trong thực tißn nh° phân tích hóa hãc, cÁm biÃn sinh hãc, phân phßi thußc, phân tách phân tā Mát trong sß nhăng măc tiêu h°ớng đÃn cąa các nghiên cću này là đ°a ra đ°āc nhăng giÁi pháp đÇ có thÇ t¿o ra sÁn phẩm có đá bÅn, đá tin cÁy cao, kích th°ớc nhỏ và dß dàng trong viác chà t¿o Các nghiên cću th°ßng tÁp trung vào các giÁi pháp cho tÿng thiÃt bá că thÇ riêng biát nh° vi b¢m, bá vi trán, vi cÁm biÃn hoặc c¢ chà vi điÅu khiÇn& Trong khi đó, viác phát triÇn mát thiÃt bá vi lỏng có khÁ nng tích hāp nhiÅu chćc nng nh° trên v¿n ch°a có nhiÅu đát phá Với các lý

do trên, viác thực hián đÅ tài <Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi bơm tích hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun định hướng ứng dụng trong y sinh học= sÁ giÁi quyÃt đ°āc nhu cÅu thực tißn trong viác phân phßi thußc và

đáp ćng cho các há thßng LoC LuÁn án đÅ xuÃt há thßng vi b¢m không sā dăng van dựa trên cÃu trúc vòi phun/khuÃch tán (nozzle/diffuser) tích hāp đáng thßi chćc nng b¢m và trán Viác thực hián thành công luÁn án sÁ đem l¿i nhăng

kÃt quÁ nghiên cću mới và là c¢ sá cho đánh h°ớng, phát triÇn các sÁn phẩm ćng dăng trong y sinh hãc

2 Nhăng vÃn đÁ còn tán t¿i

Qua phân tích và tãng hāp các kÃt quÁ nghiên cću đã công bß, NCS thÃy đ°āc nhăng vÃn đÅ đang còn tán t¿i mà nái dung nghiên cću cąa luÁn án cÅn tÁp trung giÁi quyÃt, că thÇ nh° sau:

- Vi b¢m và bá trán th°ßng là các mô đun riêng biát, điÅu này d¿n đÃn kích th°ớc cąa thiÃt bá cáng kÅnh và phćc t¿p trong chà t¿o, ghép nßi

- Khi trán hai hay nhiÅu thành phÅn chÃt lỏng, các há thßng cÅn phÁi có sß l°āng b¢m t°¢ng ćng với các kênh vào cąa bá trán, điÅu này sÁ làm tng giá thành, kích th°ớc cąa há thßng

- Viác đo l°ßng và tự đáng xác đánh náng đá cąa hßn hāp chÃt lỏng sau các bá vi trán bằng cÁm biÃn v¿n là mát bài toán mới, ch°a có nhiÅu nghiên cću

- Các giÁi pháp vi b¢m th°ßng có hiáu suÃt ch°a cao, bá trán ch°a có khÁ nng điÅu khiÇn tự đáng tỷ lá thành phÅn đÅu ra

Vì vÁy, viác nghiên cću và đÅ xuÃt mát thiÃt bá mới với các tính nng có thÇ khÃc phăc đ°āc nhăng h¿n chà nêu trên sÁ đ°āc trình bày trong luÁn án này

3 Māc tiêu nghiên cąu

Măc tiêu nghiên cću cąa luÁn án là:

- Nghiên cću, thiÃt kÃ, chà t¿o đ°āc mát há vi b¢m có chćc nng trán và tích hāp cÁm biÃn đián dung có khÁ nng xác đánh môi tr°ßng l°u chÃt, đo náng đá thành phÅn dung dách á đÅu ra cąa thiÃt bá và h°ớng tới khÁ nng tự đáng điÅu chßnh tỷ lá trán

- B°ớc đÅu ćng dăng đ°āc thiÃt bá này vào các công viác nh° phân tích hóa hãc, cÁm biÃn sinh hãc và hóa hãc, phân phßi thußc, phân tách phân tā Că

thÇ là phát triÇn mát thiÃt bá đánh h°ớng ćng dăng trong viác truyÅn dách t¿i các bánh vián

4 Nßi dung nghiên cąu

- Thu thÁp và nghiên cću các tài liáu đã công bß vÅ vi b¢m, bá trán, cÁm biÃn

- Nghiên cću và đánh giá các mô hình toán hãc đ°āc sā dăng đÇ tính toán, thiÃt kÃ, mô phỏng vi b¢m, bá trán và cÁm biÃn

- Nghiên cću, lựa chãn giÁi pháp, thiÃt kà há thßng cÁm biÃn đián dung cho viác xác đánh môi tr°ßng l°u chÃt sau khi trán

- Tính toán, thiÃt kÃ, mô phỏng ho¿t đáng cąa vi b¢m và bá trán sā dăng phÅn mÅm các phÅn tā hău h¿n (COMSOL)

- Chà t¿o nguyên m¿u vi b¢m và tiÃn hành thực nghiám khÁo sát ho¿t đáng cąa thiÃt bá

- Chà t¿o cÁm biÃn đián dung tích hāp t¿i kênh đÅu ra cąa vi b¢m - ThiÃt kà và xây dựng há thßng đo và điÅu khiÇn vi b¢m

- Thực hián các thā nghiám đÇ thu thÁp và phân tích dă liáu, đánh giá và

tßi °u thiÃt kÃ

5 Ph°¢ng pháp nghiên cąu

Các ph°¢ng pháp nghiên cću đ°āc lựa chãn đÇ thực hián luÁn án:

- Ph°¢ng pháp phân tích và tãng hāp: Ph°¢ng pháp này đ°āc sā dăng đÇ tãng hāp và phân tích các công trình nghiên cću đã công bß trong và ngoài n°ớc có liên quan đÃn đÅ tài cąa luÁn án nh°: vi b¢m, bá trán, cÁm biÃn nhằm thÃy đ°āc các vÃn đÅ cÅn nghiên cću

- Ph°¢ng pháp mô hình hóa và mô phỏng: Sā dăng công că mô phỏng phÅn tā hău h¿n COMSOL đÇ mô phỏng c¢ chà ho¿t đáng, quá trình làm viác cąa các cÃu trúc, bá phÁn trong há thßng, xác đánh đ°āc thông sß thiÃt bá tÿ đó

chà t¿o đ°āc thiÃt bá

- Ph°¢ng pháp thực nghiám: Sā dăng công nghá và thiÃt bá in 3D với đá phân giÁi cao đÇ chà t¿o các m¿u sÁn phẩm phăc vă cho viác nghiên cću cąa luÁn án ThiÃt lÁp há thßng đo l°ßng đÇ đánh giá khÁ nng ho¿t đáng và đá tin cÁy cąa các thiÃt bá, cũng nh° đánh giá, hiáu chßnh và hoàn thián thiÃt bá

6 Ý nghĩa khoa hác và thực tißn

►Ý nghĩa khoa học:

Với nhiám vă và măc tiêu đặt ra nh° trên, nái dung cąa luÁn án sÁ là c¢ sá khoa hãc cho viác thiÃt kà và chà t¿o vi b¢m không van có tích hāp chćc nng trán Đây là vÃn đÅ nghiên cću liên ngành VÁt lý, Đián tā, C¢ hãc chÃt lỏng, Y sinh hãc KÃt quÁ nghiên cću cąa luÁn án có ý nghĩa khoa hãc và thực tißn cao, sÁ có tác đáng tßt đÃn lĩnh vực khoa hãc chuyên môn, đặc biát là trong các nghiên cću vÅ vi b¢m không van nói riêng và các ćng dăng trong lĩnh vực

y sinh nói chung ►Ý nghĩa thực tiễn:

Viác thiÃt kÃ, chà t¿o đ°āc vi b¢m không van có tích hāp chćc nng trán, b°ớc đÅu góp phÅn giÁi quyÃt mát nhu cÅu thực tißn cąa con ng°ßi hián nay vÅ vÃn đÅ chẩn đoán, điÅu trá, phân phßi thußc nhanh và tự đáng, áp dăng đ°āc các thành tựu khoa hãc liên ngành VÁt lý - Sinh hãc - Đián tā vào trong đßi sßng xã hái n°ớc ta

7 CÃu trúc nßi dung căa luÁn án

Ngoài phÅn má đÅu, kÃt luÁn và kiÃn nghá, nái dung luÁn án đ°āc bß căc thành 4 ch°¢ng:

- Ch°¢ng 1 trình bày tãng quan tình tình nghiên cću Trong ch°¢ng này, luÁn án phân tích, tìm hiÇu các há thßng vi b¢m, bá trán đã đ°āc nghiên cću trên thà giới và trong n°ớc Tÿ đó, luÁn án đÅ xuÃt nái dung nghiên cću và tÅm quan trãng cąa viác thực hián nghiên cću

- Ch°¢ng 2 trình bày chi tiÃt đÅ xuÃt mát thiÃt kà vi b¢m không van kÃt hāp tính nng trán Vi b¢m đÅ xuÃt sā dăng c¢ cÃu vòi phun/khuÃch tán mới Cùng với đó, viác tính toán và xây dựng mô hình vi b¢m bằng ph°¢ng pháp mô phỏng đÇ tìm ra thông sß kích th°ớc tßi °u nhằm chà t¿o nguyên m¿u vi b¢m trong thực tÃ

- Ch°¢ng 3 trình bày thiÃt kà chi tiÃt các thông sß, kích th°ớc cąa vi b¢m phăc vă viác chà t¿o bằng công nghá in 3D t¿o m¿u nhanh đá phân giÁi cao TiÃp đó thiÃt kà và chà t¿o m¿ch điÅu khiÇn, xây dựng các há đo và thā nghiám thiÃt bá

- Ch°¢ng 4 trình bày chi tiÃt các thí nghiám và kÃt quÁ nhằm đánh giá các thông sß, chćc nng cąa thiÃt bá nh° vi b¢m, bá trán, cÁm biÃn và tßi °u l¿i há thßng nhằm đ¿t đ°āc kÃt quÁ nh° mong mußn

8 Các đóng góp chính căa luÁn án

- LuÁn án đã đÅ xuÃt mát thiÃt kà vi b¢m sā dăng cÃu trúc vòi phun/khuÃch tán kiÇu mới, vi b¢m kÃt hāp giăa tính nng b¢m và trán trên cùng mát thiÃt bá

- Đã xây dựng đ°āc mô hình mô phỏng chćc nng b¢m và trán cąa thiÃt bá Các kÃt quÁ dă liáu thu đ°āc đã đánh giá đ°āc Ánh h°áng cąa tÅn sß, đián áp, kích th°ớc màng b¢m PZT cũng nh° thông sß cąa cÃu trúc vòi phun/khuÃch tán đÃn l°u l°āng, áp suÃt đÅu ra cąa vi b¢m, cũng nh° khÁ nng trán cąa thiÃt bá

- Đã chà t¿o đ°āc m¿u vi b¢m kÃt hāp bá trán sā dăng cÃu trúc vòi phun/khuÃch tán bằng công nghá in 3D đá phân giÁi cao, có tích hāp cÁm biÃn đián dung đÇ xác đánh môi tr°ßng b¢m và tỷ lá trán Các kÃt quÁ thí nghiám đã chćng tỏ thiÃt bá đã đáp ćng đ°āc măc tiêu nghiên cću đặt ra cąa đÅ tài mà luÁn án đã chãn Đáng thßi khẳng đánh tiÅm nng và đóng góp cąa nghiên cću cho các ćng dăng khác nhau trong lĩnh vực y sinh

CH¯¡NG 1 TâNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CĄU 1.1 Tãng quan vÁ vi b¢m

Tr°ớc nhăng nhu cÅu đòi hỏi tÿ thực tÃ, viác nghiên cću vÅ vi b¢m đã đ°āc bÃt đÅu tÿ nhăng nm 1980 và trá thành mát lĩnh vực nghiên cću lớn trong ngành vi đián tā [1,2] Vi b¢m đ°āc hiÇu là mát thiÃt bá có kích th°ớc nhỏ làm nhiám vă b¢m, kiÇm soát vÁn chuyÇn mát l°āng nhỏ chÃt lỏng đÇ đáp

ćng mát yêu cÅu că thÇ Thực hián chćc nng b¢m nghĩa là viác di chuyÇn chÃt lỏng trong các vi

kênh d°ới hiáu ćng vÁt lý nào đó Dựa trên các nguyên tÃc b¢m, các vi b¢m th°ßng đ°āc phân thành hai lo¿i chính là vi b¢m c¢ hãc và vi b¢m phi c¢ hãc Vi b¢m c¢ hãc chća các bá phÁn chuyÇn đáng Lực truyÅn đáng có thÇ đ°āc t¿o ra bằng cách sā dăng các hiáu ćng áp đián, tĩnh đián, nhiát, khí nén hoặc các hiáu ćng tÿ tính Trong khi đó, vi b¢m phi c¢ hãc ho¿t đáng với lực truyÅn đáng th°ßng là đián thẩm, đián hóa hoặc t¿o dòng siêu âm&

1.1.1 Vi bơm phi cơ học

Vi b¢m phi c¢ hãc là nhăng vi b¢m không sā dăng chuyÇn đáng c¢ hãc đÇ tác đáng lực lên chÃt lỏng cÅn b¢m

Trong mát sß tr°ßng hāp đặc biát mát sß vi b¢m phi c¢ hãc không cÅn phÁi cung cÃp nng l°āng tÿ bên ngoài đÇ ho¿t đáng và chúng đ°āc gãi là b¢m phi c¢ hãc thă đáng, điÇn hình là vi b¢m mao quÁn [3] Lo¿i b¢m này sā dăng hiáu ćng mao d¿n và sćc cng bÅ mặt đÇ vÁn chuyÇn chÃt lỏng, că thÇ á đây, sự bám dính xÁy ra giăa chÃt lỏng và ßng mao quÁn sÁ kéo chÃt lỏng lên cao Vi b¢m sā dăng sự chênh lách sćc cng bÅ mặt giăa giãt nhỏ á đÅu vào và giãt lớn h¢n á đÅu ra đÇ truyÅn m¿u chÃt lỏng cũng đã đ°āc nghiên cću [4-5] Wang và các cáng sự dùng các chÃt xßp nh° giÃy đÇ vÁn chuyÇn chÃt lỏng nhß lực mao d¿n xuÃt hián á bÅ mặt phân giới giăa chÃt lỏng - rÃn [6]

Khác với vi b¢m phi c¢ hãc thă đáng, mát sß lo¿i vi b¢m phi c¢ hãc l¿i cÅn phÁi cung cÃp nng l°āng đÇ ho¿t đáng và chúng đ°āc gãi là vi b¢m phi c¢ hãc chą đáng D°ới đây là mát sß kÃt quÁ nghiên cću điÇn hình đã đ°āc công bß vÅ các lo¿i vi b¢m này

1.1.1.1 Vi bơm iện hóa (Electrochemical Micropump)

Đặc điÇm chung nhÃt cąa các lo¿i vi b¢m đián hóa là t¿o ra các bong bóng bằng ph°¢ng pháp đián phân Trong đó, chÃt đián phân th°ßng là n°ớc và đ°āc phân hąy thành khí hydro (H2) và khí oxy (O2) khi có dòng đián ch¿y qua Quá trình t¿o bong bóng thông qua các phÁn ćng (1), (2)

T¿i anode:

2H2O 4H+ + 4e- + O2 (1) T¿i cathode:

Các bong bóng đ°āc t¿o ra trong quá trình đián phân làm thay đãi áp suÃt trong buáng kín sinh ra lực tác dăng lên màng b¢m đÇ đẩy dung dách di chuyÇn Vi b¢m đián hóa gám các thành phÅn nh°: buáng b¢m chća chÃt đián phân (hay còn đ°āc gãi là buáng đián phân) có các đián cực đ°āc cÃp đián đÇ t¿o ra bong bóng, các kênh d¿n chÃt lỏng, và các buáng chća chÃt lỏng đÅu vào và đÅu ra [7]

Hình 1.1 mô tÁ nguyên lý ho¿t đáng cąa mát vi b¢m đián hóa sā dăng trong viác phân phßi thußc ĐiÇm h¿n chà cąa lo¿i vi b¢m đián hóa là các bong bóng đ°āc t¿o ra có thÇ bá phá vÿ ĐiÅu này làm giÁm đá tin cÁy và chính xác cąa vi b¢m [8] Tuy nhiên, lo¿i vi b¢m đián hóa tiêu thă ít nng l°āng và rÃt hiáu quÁ trong viác b¢m dung dách với thÇ tích nhỏ, cÿ mL [9]

Suzuki và Yoneyama đã chà t¿o mát vi b¢m đián hóa có đián áp ho¿t đáng á mćc trên d°ới 1V và đián nng tiêu thă thÃp á mćc µW [11,12] Há thßng vi b¢m đó đ°āc phát triÇn bằng cách tích hāp mát bá vi b¢m trên chip và các van mát chiÅu ho¿t đáng thông qua bong bóng H2đ°āc t¿o ra bằng phÁn ćng đián hóa Đián cực có d¿ng màng mỏng đ°āc làm tÿ b¿ch kim ChÃt nÅn (substrate) bằng vÁt liáu PDMS (Polydimethylsiloxane) đ°āc sā dăng đÇ t¿o kênh dòng chÁy và khoang chća dung dách đián phân Hai dung dách thußc nhuám đ°āc b¢m và hāp nhÃt trong mát kênh vi lỏng, l°u l°āng b¢m á giá trá 8,0 nL/s đã đ°āc ghi nhÁn Yoshimi và cáng sự đã phát triÇn khớp thÅn kinh nhân t¿o (artificial synapse) bằng cách sā dăng mát vi b¢m đián hóa [13] Khßi vi b¢m này bao gám mát vòi phun bằng thąy tinh và hai đián cực b¿ch kim chća đÅy dung dách d¿n truyÅn thÅn kinh cho quá trình đián phân ĐÇ điÅu khiÇn dung dách h°ớng tới n¢-ron, mát hiáu đián thà 3,0V đã đ°āc đ°a vào đián cực Kim và cáng sự đã nghiên cću, thiÃt kà vi b¢m sā dăng màng Ppy (Polypyrrole) [14] Vi b¢m ho¿t đáng bằng cách kích thích màng mỏng Ppy-PDMS thông

qua ph°¢ng pháp đián hóa Các van mát chiÅu đ°āc sā dăng đÇ kiÇm soát h°ớng cąa dòng chÁy Tßc đá dòng chÁy tßi đa 52μL/phút đ¿t đ°āc khi đián áp đặt vào ± 1,5V với công suÃt đÅu vào là 55mW

1.1.1.2 Vi bơm lo¿i bong bóng (Bubble Micropumps)

Hình 1.2 là mô hình nguyên lý làm viác cąa vi b¢m bong bóng Vi b¢m ho¿t đáng dựa trên sự giãn ná và vÿ đánh kỳ cąa các bong bóng đ°āc t¿o ra bái quá trình sinh nhiát trong buáng b¢m Sự thay đãi áp suÃt trong buáng b¢m cùng với c¢ chà ho¿t đáng cąa các van mát chiÅu hoặc thông qua c¢ chà vòi phun/khuÃch tán (nozzle/diffuser) đÇ xác đánh h°ớng dòng chÁy cąa vi b¢m ¯u điÇm chính cąa lo¿i vi b¢m này là có thÇ trán hai hoặc nhiÅu lo¿i liÅu thußc trong các chu kỳ bong bóng giãn ná và vÿ Nh°āc điÇm chính cąa vi b¢m bong bóng là cÅn phÁi có nguán t¿o nhiát th°ßng xuyên đÇ vi b¢m ho¿t đáng và do đó ćng dăng có phÅn h¿n chà [15]

Hình 1.2 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm bong bóng

Tsai và Lin đã nghiên cću mát vi b¢m nhiát bong bóng không van [16,17] Sau đó, hã đã phát triÇn mát há thßng trán vi lỏng với mát bá lãc bãt khí bằng cách sā dăng vi bong bóng Tßc đá dòng chÁy tßi đa 5 μL/phút t¿i tÅn sß 250 Hz với xung đián áp đá ráng xung 10% và công suÃt tiêu thă là 1W Lew và cáng sự đã phát triÇn mát vi b¢m bong bóng xẹp [18] Các bong bóng có bán kính khoÁng 3 đÃn 5mm đã đ°āc khÁo sát thông qua thiÃt lÁp thí nghiám

sā dăng tia lāa đián sinh ra giăa hai bÁn tă đián có đián áp 55V Vi b¢m bong bóng sā dăng bá gia nhiát cũng đã đ°āc Jung và Kwak nghiên cću chà t¿o [19] Bá vi b¢m bao gám mát cặp vòi phun/khuÃch tán, bá điÅu khiÇn dòng chÁy, các vi kênh và mát buáng b¢m Vi b¢m đ¿t đ°āc tßc đá dòng chÁy tßi đa 6μL/phút á tỷ lá 60% (khoÁng thßi gian xung đián/chu kỳ b¢m) đßi với buáng tròn và 8μL/phút á tỷ lá 40% đßi với buáng vuông Cheng và Liu đã nghiên cću mát vi b¢m bong bóng đián phân dựa trên thiÃt kà gradient nhám trong vi kênh [20] Tßc đá dòng lớn nhÃt 114μL/phút đ¿t đ°āc á đián áp đặt vào 15V với tÅn sß 4,5Hz

1.1.1.3 Vi bơm iện thẩm (Electroosmotic micropump)

Hình 1.3 trình bày nguyên lý ho¿t đáng dòng di chuyÇn đián thẩm HÅu hÃt các bÅ mặt sÁ có mát mÁt đá đián tích nhÃt đánh mát cách tự nhiên khi tiÃp xúc với dung dách Ví dă, mát bÅ mặt silica tiÃp xúc với dung dách n°ớc sÁ trá nên tích đián do sự khā ion cąa các nhóm silanol trên bÅ mặt BÅ mặt tích đián hút các đián tích trái dÃu và đẩy lùi ra xa các h¿t tích đián cùng dÃu, d¿n đÃn sự hình thành lớp đián áp kép (EDL - Electrical Double Layer) Với vi b¢m đián thẩm mô tÁ trong Hình 1.3, bÅ mặt kênh vi lỏng đ°āc tích đián âm do hián t°āng phÁn ćng hóa hãc bÅ mặt khi tiÃp xúc với chÃt lỏng Khi mát đián tr°ßng đ°āc đặt song song với bÅ mặt tích đián, các cation trong vùng EDL sÁ chuyÇn đáng theo h°ớng cąa đián tr°ßng Sự di chuyÇn cąa các cation này sÁ kéo theo sự dách chuyÇn cąa chÃt lỏng và t¿o ra dòng chÁy trong vi kênh Sự phân bß đián tích d°¢ng và âm t¿o ra đián thà t¿i thành cąa vi kênh, gãi là đián thà Zeta (ζ), phă thuác vào tính chÃt bÅ mặt và mÁt đá ion trong chÃt lỏng ChiÅu dày cąa lớp đián áp kép ÿĀ đ°āc tính theo ph°¢ng trình (3)

ÿĀ = [Ā2∑ ýÿýĀ

ÿý∞,ÿ

Trong đó:  : hằng sß đián môi cąa chÃt lỏng

K : hằng sß Boltzmann

T : nhiát đá

�㔖 : đián tích

Zi : sß hóa trá cąa ion

�㕘∞,i : náng đá ion cąa chÃt i trong hßn hāp

Trong ćng dăng vi b¢m, do chiÅu dày cąa lớp EDL rÃt nhỏ so với kích th°ớc mặt cÃt ngang cąa kênh vi lỏng, khi đó tßc đá dòng đián di có thÇ đ°āc tính nh° sau [21]:

Trong đó: E (V/m) : c°ßng đá đián tr°ßng

µ(Ns/m2) : đá nhớt đáng hãc cąa chÃt lỏng L°u l°āng đián thẩm thÃu phă thuác vào:

- Đá lớn cąa đián tr°ßng;

- Kích th°ớc mặt cÃt ngang cąa vi kênh; - MÁt đá đián tích bÅ mặt cąa vi kênh; - MÁt đá ion và pH cąa chÃt lỏng làm viác

Hình 1.3 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện thẩm

Nh°āc điÇm cąa lo¿i vi b¢m này là tßc đá dòng chÁy thÃp nh°ng l¿i phÁi sā dăng đián áp rÃt cao, lên đÃn h¢n 1000V và chß ho¿t đáng đ°āc với các lo¿i

chÃt lỏng d¿n đián, bù l¿i, vi b¢m có thÇ t¿o ra áp suÃt b¢m lớn, dòng chÁy đÅu ĐÇ cÁi thián hiáu suÃt b¢m và viác chà t¿o đ°āc dß dàng h¢n, phÅn lớn các vi b¢m đián thẩm sā dăng cÃu trúc xßp thay vì cÃu trúc mát kênh đ¢n giÁn [22] Paul và cáng sự đã chà t¿o thành công mát vi b¢m đián thẩm với l°u l°āng b¢m đ¿t 0,04µL/phút, áp suÃt 4000 kPa, ho¿t đáng á đián áp 1500V [23]

1.1.1.4 Vi bơm từ thủy ộng học (MHD - Magnetohydrodynamic micropump)

Mát lo¿i b¢m phi c¢ hãc điÇn hình khác, đó là b¢m tÿ thąy đáng hãc Vi b¢m sā dăng lực Lorentz đÇ b¢m chÃt lỏng nh° miêu tÁ trong Hình 1.4 Đá lớn cąa lực Lorentz đ°āc cho bái công thćc:

Áp suÃt cực đ¿i cąa vi b¢m đ°āc tính theo công thćc (6) [24]:

Đáng thßi, tßc đá dòng chÁy lớn nhÃt [24]: Āÿþā = þĂþā ÿĀ/4

Trong đó: Jy : mÁt đá dòng đián

Bx : mÁt đá tÿ thông L : đá dài cąa đián cực

w : khoÁng cách hai đián cực

Dh : đ°ßng kính quy đãi cąa vi kênh (bằng dián tích mặt cÃt ngang chia cho chu vi cąa vi kênh)

Jang và Lee đã nghiên cću và chà t¿o vi b¢m MHD với đián áp ho¿t đáng tÿ 10 tới 60 VDC, mÁt đá tÿ thông 0,44 T đ°āc t¿o bái nam châm vĩnh cāu [25] Tßc đá b¢m lớn nhÃt đ°āc ghi nhÁn đ¿t 63μL/phút Kang và Choi đã nghiên cću và thiÃt kà và chà t¿o vi b¢m MHD có chćc nng trán, trong đó chÃt lỏng đ°āc trán và b¢m cùng mát lúc bằng cách ghép giăa lực Lorentz và lực đián di cąa đián tích trong đián tr°ßng [26]

Hiáu suÃt cąa b¢m tÿ thąy đáng hãc th°ßng bá giới h¿n bái mÁt đá tÿ thông Ngoài ra, nó chß có thÇ vÁn chuyÇn chÃt lỏng d¿n đián và có thÇ phát sinh nhiát trong quá trình ho¿t đáng

1.1.1.5 Vi bơm iện ộng học (EHD - Electro Hydrodynamic Micropump)

Trong vi b¢m EHD, lực đ°āc t¿o ra bái sự t°¢ng tác giăa đián tr°ßng và các đián tích chuyÇn đáng trong chÃt lỏng nh° mô tÁ trong Hình 1.5 Các đián cực đ°āc đặt trong vi kênh theo chiÅu dãc Các h¿t mang đián đ°āc t¿o ra tÿ các đián cực sÁ chuyÇn đáng theo h°ớng cąa đián tr°ßng và kéo chÃt lỏng di chuyÇn theo ChÃt lỏng sā dăng trong vi b¢m phÁi có đá d¿n đián thÃp hoặc là chÃt đián môi MÁt đá lực đián Fe đ°āc t¿o ra tÿ đián tr°ßng đặt vào có c°ßng đá E đ°āc tính theo công thćc (8):

ĂĂ = Ăā + ÿ �㗻ā 2 12ā2�㗻�㔀 +12�㗻 [ā2(ÿĀÿÿ)

ĀĀ] (8) Trong đó:

q: mÁt đá đián tích

·: hằng sß đián môi ρ: mÁt đá chÃt lỏng T: nhiát đá chÃt lỏng

P: vect¢ phân cực

Các đián tích đ°āc phát ra tÿ mát đián cực và đ°āc thu l¿i á đián cực kia Các vi b¢m EHD th°ßng là lo¿i cÁm ćng, phân cực hoặc kéo đián tích, mßi

lo¿i đÅu có ph°¢ng pháp riêng đÇ đ°a các h¿t tích đián vào dung dách chÃt lỏng b¢m [27]

Hình 1.5 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm EHD

Ritcher và Sandmaier đã chà t¿o bá vi b¢m EHD phun tích đián mát chiÅu đÅu tiên bao gám hai l°ới đián cách ly [28] Tßc đá dòng chÁy 15.000μL/phút và cát áp 1,72 kPa đ¿t đ°āc á đián áp 800V Fuhr và cáng sự đã phát triÇn mát vi b¢m EHD lo¿i cÁm ćng đÅu tiên [29] Tßc đá dòng chÁy 0,05-5μL/phút đã đ°āc ghi nhÁn Darabi và cáng sự nghiên cću mát vi b¢m phân cực EHD đÇ làm mát trong thiÃt bá đián tā [30, 31] Nguyên m¿u chà t¿o có công suÃt làm mát tßi đa là 65W/cm2với áp suÃt đ¿t 250 Pa

1.1.2 Vi bơm cơ học

Khác với vi b¢m phi c¢ hãc, vi b¢m c¢ hãc có mát hoặc nhiÅu thành phÅn chuyÇn đáng đ°āc sā dăng trong quá trình ho¿t đáng cąa b¢m PhÅn lớn nhăng vi b¢m c¢ hãc sā dăng chuyÇn đáng cąa các màng b¢m đÇ t¿o ra sự chênh lách áp suÃt cÅn thiÃt nhằm di chuyÇn chÃt lỏng, t¿o dòng chÁy [32] Sự dao đáng cąa các màng này th°ßng đ°āc thực hián nhß tác đáng cąa đián tr°ßng, tÿ tr°ßng hoặc tác đáng nhiát Các dao đáng này sÁ t¿o ra thay đãi áp

suÃt (ΔP) và là mát hàm cąa thÇ tích hành trình bên trong buáng b¢m (ΔV) Với

V0là thÇ tích chÃt cąa buáng b¢m, tỷ lá nén đ°āc đánh nghĩa nh° sau:

Hiáu suÃt cąa vi b¢m c¢ hãc th°ßng bá giới h¿n bái các thành phÅn c¢ hãc cąa nó ĐiÇn hình, trong sß các lo¿i vi b¢m này là vi b¢m gßm áp đián, tĩnh đián, khí nén nhiát, đián tÿ, l°ÿng kim, nhu đáng và vi b¢m pít tông

1.1.2.1 Vi bơm tĩnh iện (Electrostatic Micropumps)

Lo¿i vi b¢m này sā dăng lực tĩnh đián đÇ t¿o chuyÇn đáng cąa màng b¢m Chênh lách áp suÃt gây ra bái đá lách màng b¢m trong buáng b¢m buác chÃt lỏng trong khoang chća chÁy tới vi kênh Lực tĩnh đián tác dăng lên các tÃm tĩnh đián có thÇ đ°āc biÇu thá bằng ph°¢ng trình:

V : đián áp đặt vào đián cực

Hình 1.6 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm tĩnh điện

Viác chà t¿o các vi b¢m ho¿t đáng theo c¢ chà tĩnh đián trên chip đián tā th°ßng đ°āc coi là dß dàng, nh°ng bá truyÅn đáng tĩnh đián th°ßng có biên

đá hành trình nhỏ và có thÇ dß dàng kiÇm soát bằng đián áp đặt vào đián cực ¯u điÇm chính cąa vi b¢m tĩnh đián là tiêu thă đián nng thÃp và đáp ćng

nhanh

Vi b¢m tĩnh đián đÅu tiên đ°āc chà t¿o bái Judy và các cáng sự sā dăng công nghá vi gia công bÅ mặt [33] Nó bao gám mát van chą đáng mát chiÅu, buáng b¢m và mát van á đÅu ra Các kÃt quÁ thí nghiám đÅu tiên cąa vi b¢m tĩnh đián đã đ°āc nghiên cću bái Zengerle và các cáng sự [34] Trong nghiên cću đó, tßc đá dòng chÁy cąa vi b¢m là 70μL/phút và áp suÃt ng°āc 2,5 kPa đ°āc quan sát á mćc đián áp 170V với tÅn sß 25 Hz Cabuz và cáng sự đã giới thiáu vi b¢m tĩnh đián màng kép sā dăng kỹ thuÁt ép phun [35] Vi b¢m có khÁ nng b¢m hai chiÅu nh°ng chß đ°āc sā dăng cho chÃt khí Vi b¢m có tßc đá dòng chÁy 30μL/phút t¿i giá trá đián áp 160V ćng với tÅn sß 30Hz và công suÃt tiêu thă 8mW Machauf và cáng sự đã nghiên cću vi b¢m có màng b¢m chuyÇn đáng nhß lực tĩnh đián thông qua chính chÃt lỏng đ°āc b¢m [36] Ý t°áng này dựa trên khÁ nng chÃt lỏng b¢m đ°āc phép áp đián thà cao Tuy nhiên, thiÃt kà vi b¢m này chß phù hāp với các chÃt lỏng ít d¿n đián Vi b¢m có l°u l°āng dòng chÁy 1μL/phút ćng với đián áp tĩnh đián 50V đã đ°āc Lee và cáng sự chà t¿o và thā nghiám [37] Vi b¢m khí tĩnh đián nhu đáng sā dăng cáng h°áng chÃt lỏng cho tßc đá dòng chÁy cao và cÃu hình nhu đáng nhiÅu tÅng Bá vi b¢m có áp suÃt dao đáng tÿ 7,3 kPa đÃn 3,3 kPa và tßc đá dòng chÁy tÿ 0,29 sccm đÃn 0,07 sccm trong khoÁng thßi gian dao đáng tÿ 0,05 chu kỳ và 0,35 chu kỳ má van Lil và cáng sự đã đÅ xuÃt mô hình vi b¢m có màng b¢m với bá truyÅn đáng tĩnh đián và sā dăng phÅn mÅm MATLAB đÇ mô phỏng vi b¢m này [38] KÃt quÁ tính toán cho thÃy với màng b¢m tĩnh đián sā dăng vÁt liáu

silic thì tÅn sß cáng h°áng là 635 Hz Khi sā dăng phÅn mÅm FEM (Finite Element Method) thì giá trá này là 680 Hz

1.1.2.2 Vi bơm áp iện (Piezoelectric Micropumps)

Sự chuyÇn đãi biÃn d¿ng c¢ hãc thành tín hiáu đián và ng°āc l¿i đ°āc gãi là hiáu ćng áp đián CÃu trúc tinh thÇ cąa vÁt liáu có tính chÃt áp đián th°ßng không có tâm đßi xćng Vì vÁy, khi có mát ćng suÃt tác dăng lên các vÁt liáu sÁ làm thay đãi khoÁng cách giăa nguyên tā đián tích d°¢ng và nguyên tā đián tích âm, d¿n đÃn sự phân cực đián trên bÅ mặt và sinh ra mát đián tr°ßng ćng với hiáu đián thà đ°āc t¿o ra trong các vÁt liáu đó

Hình 1.7 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm áp điện

Các vi b¢m sā dăng c¢ chà áp đián đ°āc ćng dăng phã biÃn trong lĩnh vực phân phßi thußc và các ćng dăng y sinh khác ¯u điÇm chính cąa vi b¢m sā dăng bá truyÅn đáng áp đián bao gám lực truyÅn đáng lớn, đáp ćng nhanh, cÃu trúc đ¢n giÁn và khÁ nng cách đián với môi tr°ßng b¢m nhß các lớp phą ngn cách lên màng PZT Tuy nhiên, viác chà t¿o các vÁt liáu áp đián nh° vÁy trên mát con chip (Lab on a Chip) sÁ rÃt phćc t¿p Mát nh°āc điÇm khác năa là đián áp điÅu khiÇn t°¢ng đßi cao nh°ng áp lực sinh ra nhỏ [39]

Vi b¢m áp đián đÅu tiên đ°āc chà t¿o bằng công nghá vi chà t¿o bái Van Lintel [40] Vi b¢m bao gám mát buáng b¢m, van mát chiÅu silic (Si) thă đáng

và mát màng thąy tinh mỏng đ°āc kích ho¿t bái đĩa piezo Vi b¢m có tßc đá dòng chÁy tßi đa 8μL/phút và áp suÃt b¢m là 9,8 kPa đo đ°āc á đián áp 125V với tÅn sß 1Hz Esashi và cáng sự chà t¿o thành công vi b¢m áp đián ba lớp với tßc đá dòng chÁy là 15μL/phút và áp suÃt b¢m là 6,4 kPa á đián áp 90V với tÅn sß 30Hz [41] Koch và cáng sự đã thiÃt kà mát vi b¢m áp đián dựa trên viác in lăa vÁt liáu PZT (Lead Zirconated Titanate) trên màng Si [42] Tßc đá dòng chÁy cąa vi b¢m là 120μL/phút và áp suÃt ng°āc là 2 kPa t¿i giá trá đián áp 600V với tÅn sß 200Hz Schabmueller và cáng sự chà t¿o vi b¢m áp đián có tßc đá dòng chÁy là 1500μL/phút và áp suÃt ng°āc 1 kPa khi sā dăng dung dách b¢m là ethanol [43] Feng và Kim đã nghiên cću vi b¢m áp đián bao gám các van parylene mát chiÅu [44] KÃt quÁ cho thÃy, tßc đá dòng chÁy cąa vi b¢m là 3,2 μL/phút và áp suÃt ng°āc 0,2 kPa đ°āc quan sát á mćc đián áp 80V và mćc tiêu thă đián nng thÃp h¢n 3mW Geipel và cáng sự đã nghiên cću thiÃt kà mát kiÇu vi b¢m mới có tßc đá dòng chÁy đác lÁp với áp suÃt dòng chÁy ng°āc [45] Tính đác lÁp cąa áp suÃt ng°āc đ°āc báo cáo lên đÃn 20 kPa á tÅn sß thÃp Vi b¢m có thÇ đ¿t l°u l°āng 50nL/phút Trenkle và cáng sự nghiên cću mát vi b¢m có vi mô nhu đáng đ°āc kích ho¿t bằng phÅn tā áp đián [46] Tßc đá dòng chÁy 40μL/phút thu đ°āc á tÅn sß 28,6 Hz khi sā dăng n°ớc Tßc đá dòng chÁy đ°āc quan sát là đác lÁp với áp suÃt ng°āc lên đÃn 7 kPa, với áp suÃt ng°āc tßi đa là 45 kPa á 140V Johari và cáng sự đã nghiên cću viác chà t¿o mát vi b¢m áp đián sā dăng màng b¢m bằng silic dùng cho há thßng phân phßi thußc [47] Viác phân tích đặc tính chÃt lỏng đ°āc thực hián bằng ch°¢ng trình mô phỏng CoventorWare B¢m đ°āc mô phỏng và làm viác á đián áp chß 10V Wang và cáng sự đã nghiên cću Ánh h°áng cąa sự bÃt đßi xćng cąa dòng chÁy dãc lên khÁ nng b¢m bằng cách sā dăng mát há thßng b¢m đ¢n giÁn bao gám mát bá

rung áp đián đ°āc đặt trong mát kênh [48] Liu và cáng sự đã đÅ xuÃt mát bá vi b¢m áp đián hiáu suÃt cao dùng mát lÅn với bßn ngn đ°āc kÃt nßi nßi tiÃp dùng cho há thßng trá liáu insulin vòng kín [49] KÃt quÁ cho thÃy đá phân giÁi dòng ra cąa vi b¢m đ¿t đ°āc là 6,23 × 1025 mL/xung Áp suÃt ng°āc tßi đa 22 kPa á đián áp đặt là 36 Vpp và tÅn sß 200Hz Với măc tiêu nhằm giÁm đián áp điÅu khiÇn màng b¢m PZT, Cazorla và cáng sự đã nghiên cću và sā dăng mát lo¿i gßm áp đián màng mỏng với chiÅu dày chß 1,5µm, theo đó đián áp điÅu khiÇn màng b¢m giÁm xußng thÃp á giá trá 24V [50] Tuy nhiên, l°u l°āng b¢m đ¿t đ°āc á đián áp này cũng khá thÃp, á mćc 3,5µl/phút H.K Ma và các cáng sự đã nghiên cću và chà t¿o mát vi b¢m sā dăng màng b¢m PZT, trong đó, buáng b¢m đ°āc thiÃt kà với các cÃu trúc d¿n h°ớng chÃt lỏng nhằm cÁi thián hiáu suÃt b¢m [51] B¢m có khÁ nng tự mái và tßc đá dòng chÁy cao đ¿t đ°āc á dÁi tÅn sß thÃp L°u l°āng lớn nhÃt đ¿t đ°āc là 196mL/phút khi chÃt lỏng b¢m là n°ớc t¿i tÅn sß 25Hz và đián áp 140V Zang và cáng sự đã chà t¿o vi b¢m với cÃu trúc hai màng b¢m PZT [52] Tác giÁ sā dăng lo¿i màng b¢m có đ°ßng kính 35mm với hai phÅn gßm áp đián khác nhau, mát phÅn đÇ t¿o dao đáng và phÅn còn l¿i đÇ lÃy tín hiáu đián áp phÁn hái khi màng b¢m dao đáng KÃt quÁ nghiên cću cho thÃy tín hiáu đián áp phÁn hái có biên đá tß lá với l°u l°āng cąa b¢m Khi tßc đá dòng chÁy đ¿t đÃn giá trá lớn nhÃt là 45,98mL/phút á tÅn sß 15Hz, đián áp phÁn hái cąa màng PZT đÅu ra và đÅu vào cũng đ¿t giá trá lớn nhÃt t°¢ng ćng là 6,80 Vpp và 19,4 Vpp

1.1.2.3 Vi bơm nhiệt khí nén (Thermo-pneumatic Micropumps)

Trong lo¿i vi b¢m nhiát khí nén, bá truyÅn đáng ho¿t đáng dựa trên sự giãn ná nhiát cąa không khí Mát khoang chća đÅy không khí đ°āc đánh kỳ và luân phiên nén và giãn bái mát cặp mô đun gia nhiát và làm mát Sự thay đãi

thÇ tích cąa buáng b¢m theo chu kì t¿o cho màng b¢m mát đáng l°āng đÅu đặn đÇ t¿o ra dòng chÁy cąa chÃt lỏng Sự gia tng áp suÃt trong chÃt lỏng đ°āc thÇ hián thông qua ph°¢ng trình sau [53]:

Hình 1.8 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén

Van De Pol và cáng sự đã đÅ xuÃt vi b¢m khí nén đÅu tiên dựa trên công nghá vi chà t¿o [54] Vi b¢m có tßc đá dòng chÁy 34 μL/phút đ°āc quan sát á đián áp đặt vào 6 V với nhiát đá khoÁng 30˚C Jeong và Yang đã nghiên cću vÅ mát vi b¢m khí nén với màng b¢m gÃp nÃp [55] Tßc đá dòng chÁy cąa b¢m là 14 μL/phút t¿i giá trá đián áp đặt vào 8V ćng với tÅn sß 4Hz Cooney và Towe đã đÅ xuÃt mát bá vi b¢m khí nén bao gám bá gia nhiát màng mỏng, bá điÅu chßnh dòng chÁy và hai buáng chća [56] Tßc đá dòng chÁy tßi đa 1,4μL/phút đ°āc quan sát với công suÃt tiêu thă đián trung bình là 200mW Kim và cáng sự đÅ xuÃt mát vi b¢m khí nén với lớp thąy tinh, bá gia nhiát indium oxit thiÃc, buáng b¢m, màng và khoang chća làm bằng vÁt liáu PDMS

[57] Vi b¢m có tßc đá dòng chÁy 0,078 μL/phút đ¿t đ°āc á đián áp đặt vào là 55V với tÅn sß 6Hz Jeong và Konishi đã chà t¿o vi b¢m có bá vi mô nhu đáng bao gám ba thiÃt bá truyÅn đáng nhiát khí nén xÃp tÅng và kênh vi lỏng kÃt nßi hai kênh vào/ra [58] Tßc đá dòng chÁy 73,9μL/phút khi sā dăng n°ớc khā ion á áp suÃt ng°āc bằng không

1.1.2.4 Vi bơm iện từ (Electromagnetic Micropumps)

Vi b¢m đián tÿ sā dăng nam châm đián là mát lo¿i nam châm ho¿t đáng dựa trên sự kÃt hāp cąa đián tr°ßng và tÿ tr°ßng Khi dòng đián ch¿y qua cuán dây sÁ sinh ra tÿ tr°ßng và ng°āc l¿i khi tÿ tr°ßng biÃn thiên sÁ sinh ra dòng đián trong cuán dây C°ßng đá tÿ tr°ßng cąa nam châm đián có thÇ dß dàng thay đãi bằng cách thay đãi c°ßng đá dòng đián ch¿y qua các cuán dây

Hình 1.9 mô tÁ cÃu t¿o cąa mát vi b¢m đián tÿ Vi b¢m có màng b¢m đ°āc gÃn với mát nam châm, cuán dây đ°āc cÃp dòng đián thay đãi t¿o ra lực đián tÿ tác đáng lên nam châm gÃn màng b¢m Màng b¢m đ°āc kéo giãn bằng lực tÿ và t¿o ra sự chênh lách áp suÃt trong buáng b¢m, tÿ đó đẩy dung dách ra ngoài Vi b¢m đián tÿ có nh°āc điÇm là tiêu thă nng l°āng cao và sinh nhiát lớn, đáng thßi khó khn trong viác thu nhỏ, do kích th°ớc cąa cuán dây đián tÿ [59]

Hình 1.9 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện từ

Vi b¢m đián tÿ đÅu tiên sā dăng màng tÿ tính Ni80Fe20 dày 7μm đ°āc m¿ đián trên màng Si dày 17μm do Zheng và Ahn đÅ xuÃt [60] Vi b¢m có tßc đá b¢m lớn nhÃt 20μL/phút á đián áp đặt vào 3V ćng với tÅn sß 5Hz và dòng đián ch¿y trong cuán dây cÁm ćng 300mA Bohm và cáng sự thiÃt kà mát vi b¢m đián tÿ bao gám hai van gÃp l¿i với mát màng mỏng á trung tâm, đÅu vào/đÅu ra á d°ới và màng b¢m á trên cùng [61] Tßc đá dòng chÁy tßi đa là 40000 μL/phút đßi với không khí và 2100 μL/phút đßi với dung dách b¢m là n°ớc đã đ°āc quan sát, với mćc tiêu thă đián là 0,5 W Mát vi b¢m đián tÿ bßn lớp đ°āc thiÃt kà và các đặc tính tĩnh/đáng cąa nó đã đ°āc nghiên cću bái Gong và cáng sự [62] Trong nghiên cću đó, tác giÁ sā dăng công că FEM đÇ phân tích đá võng cąa màng b¢m bái các lực tác đáng cąa tÿ tr°ßng khác nhau Tßc đá dòng chÁy tßi đa 70 μL/phút đ°āc quan sát á tÅn sß 125Hz Yamahata và cáng sự đã nghiên cću mát vi b¢m đ°āc chà t¿o bằng vÁt liáu PMMA (Polymethyl-methacrylate) với màng b¢m đián tÿ [63] Tßc đá dòng chÁy tßi đa 400μL/phút và áp suÃt ng°āc 1,2 kPa đ°āc quan sát á tÅn sß cáng h°áng 12Hz và 200Hz Su và cáng sự đã công bß viác chà t¿o vi b¢m đián tÿ không có van với hai màng chÃn linh ho¿t song song [64] Tßc đá dòng chÁy lớn nhÃt là 6μL/s và đá dách chuyÇn 0,30 mm đ°āc quan sát á tÅn sß 100 Hz với dòng đián cÁm ćng 0,3A Balaji và cáng sự đã nghiên cću viác thiÃt kÃ, chà t¿o và thā nghiám mát vi b¢m phẳng có đá dày cÿ mm [65] Tßc đá dòng tßi đa 15μL/phút đ°āc quan sát á đián áp đặt vào 2,5 V với tÅn sß 68Hz và dòng đián 19mA Yu-Feng và cáng sự đã nghiên cću mát vi b¢m không van thă đáng song song với màng b¢m và cuán dây đián tÿ [66] Tßc đá dòng lớn nhÃt là 6μL/s và đá dách chuyÇn cąa màng b¢m là 30 μm đ°āc quan sát á tÅn sß 100Hz với dòng đián 0,3A Halhouli và cáng sự đã nghiên cću thiÃt kà mát vi b¢m đián tÿ mới dựa trên

chuyÇn đáng quay cąa hai nam châm cćng đ°āc giă trong kênh, có cực tính đßi lÁp nhau [67] Tßc đá dòng chÁy tßi đa cąa vi b¢m là 13,7 mL/phút á 200 vòng/phút và áp suÃt 785 Pa á 136 vòng/phút đã đ°āc ghi nhÁn

1.1.2.5 Vi bơm nhu ộng

Vi b¢m nhu đáng ho¿t đáng dựa trên sự biÃn d¿ng liên tiÃp cąa các màng b¢m đÇ t¿o dòng chÁy Các màng b¢m đ°āc khái đáng theo trình tự bái tác đáng tÿ bên trong hoặc bên ngoài b¢m H°ớng cąa dòng chÁy đ°āc xác đánh bái thć tự khái đáng cąa các màng b¢m Hình 1.10 mô tÁ vi b¢m nhu đáng với 3 buáng b¢m, các van sÁ đ°āc đóng má theo thć tự nh° hình vÁ bái lực tÿ bên ngoài nh° trăc cam hoặc khí nén Sự đóng má các van theo mát trình tự că thÇ sÁ t¿o dòng chÁy á đÅu ra và hút chÃt lỏng á phía đÅu vào

Hình 1.10 Mô hình vi bơm nhu động với 3 buồng nối tiếp

Uvarov và cáng sự đã nghiên cću và chà t¿o mát vi b¢m nhu đáng với 3 buáng b¢m có đ°ßng kính 500 µm và đ°āc nßi với nhau bái kênh vi lỏng có đ°ßng kính 50 µm [68] KhoÁng cách giăa các buáng b¢m là 500 µm Màng b¢m đ°āc điÅu khiÇn bái viác giãn ná tÿ quá trình hình thành các bong bóng hydro và oxy trong buáng b¢m Các bong bóng này đ°āc t¿o ra bằng cách đặt mát chußi các xung đián áp ngÃn xoay chiÅu vào các đián cực bên trong buáng b¢m Vi b¢m đ°āc chà t¿o bằng công nghá phòng s¿ch tiêu chuẩn dựa trên vÁt liáu thąy tinh và silic Tßc đá dòng chÁy cąa b¢m đo đ°āc là 1,5 µL/phút, đá

chính xác vÅ liÅu l°āng có thÇ đ¿t đ°āc là 0,25 nL Với đá chính xác đ¿t đ°āc nh° vÁy, vi b¢m có thÇ đ°āc ćng dăng trong các thiÃt bá phân phßi thußc cÅm tay Tuo Ma và cáng sự đã phát triÇn mát vi b¢m nhu đáng đÇ ćng dăng trong các chip vi lỏng [69] B¢m sā dăng bá phÁn chuyÇn đáng là ba c¢ cÃu áp đián tách biát đ°āc đặt lên mát kênh vi lỏng có khÁ nng giãn, nén đàn hái D°ới tác đáng cąa 3 c¢ cÃu áp đián đặt bên ngoài, kênh vi lỏng sÁ bá nén và đàn hái trá l¿i tr¿ng thái ban đÅu gißng nh° mát màng b¢m Với thiÃt kà plug-and-play, vi b¢m cho phép sā dăng đÇ b¢m nhiÅu lo¿i chÃt lỏng khác nhau chß đ¢n giÁn bằng viác thay thà các kênh vi lỏng và giă nguyên c¢ cÃu chuyÇn đáng áp đián và điÅu khiÇn ĐiÅu này phù hāp đÇ áp dăng vào viác phát triÇn các chip vi lỏng sā dăng l¿i nhiÅu lÅn KÃt quÁ thā nghiám cho thÃy vi b¢m có thÇ b¢m chÃt lỏng với đá phân giÁi cao, á mćc 8,4 nL/S, tßc đá b¢m tßi đa có thÇ đ¿t đ°āc là 102 nL/s, áp suÃt ng°āc lên đÃn 2 Kpa Pecar và cáng sự giới thiáu mát vi b¢m nhu đáng với mát c¢ cÃu truyÅn đáng áp đián duy nhÃt ĐÅu ra cąa vi b¢m đ°āc kÃt nßi với buáng b¢m qua mát vi kênh [70] Bßn nguyên m¿u đã đ°āc chà t¿o và kÃt quÁ thā nghiám cho thÃy l°u l°āng cąa vi b¢m đ¿t đ°āc 0,24 mL/phút và áp suÃt ng°āc là 36 kPa t¿i đián áp 230 V

1.1.3 Phần từ vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van

Mát vi b¢m lý t°áng sÁ chß cho phép dòng chÁy đi theo mát h°ớng tÿ nguán chÃt lỏng đÃn đích Tuy nhiên, trong thực tÃ, vi b¢m th°ßng có dòng chÁy ng°āc không mong mußn ĐÇ dòng chÁy bên trong vi b¢m là đ¢n h°ớng, vi b¢m phÁi sā dăng c¢ chà điÅu chßnh dòng chÁy Hai chiÃn l°āc chung th°ßng gặp là sā dăng vi van hoặc sā dăng phÅn tā chßnh l°u chÃt lỏng thă đáng

Vai trò cąa vi van trong vi b¢m là cho phép dòng chÁy theo h°ớng thuÁn và ćc chà hoặc giÁm thiÇu dòng chÁy theo h°ớng ng°āc l¿i ĐiÅu này đ°āc gãi là các <đặc tính diode= cąa vi van Hình thćc đ¢n giÁn nhÃt cąa vi van là van

mát chiÅu Nó sā dăng mát cái nÃp linh ho¿t, đ°āc làm tÿ vÁt liáu màng mỏng, hoặc PDMS Hình 1.11 mô tÁ ho¿t đáng cąa b¢m có sā dăng hai van mát chiÅu à chu kỳ hút, khi thÇ tích buáng b¢m tng lên, áp suÃt buáng b¢m giÁm, dòng chÁy tÿ đÅu vào sÁ tác đáng lên nÃp van làm van sß 1 má Tuy nhiên, cũng do sự giÁm áp suÃt trong buáng b¢m này mà nÃp van 2 bá đóng l¿i, kÃt quÁ là mát thÇ tích chÃt lỏng đ°āc đẩy vào trong buáng b¢m (Hình 1.11.a) Ng°āc l¿i, á chu kỳ đẩy, áp suÃt trong buáng b¢m tng sÁ làm van 1 đóng, van 2 má đÇ đẩy chÃt lỏng tÿ buáng b¢m đi ra theo chiÅu mong mußn (Hình 1.11.b)

Hình 1.11 Mô hình vi bơm pít tông sử dụng van một chiều

Mặc dù các vi van này có hiáu suÃt cao trong viác điÅu h°ớng dòng chÁy và mang l¿i khÁ nng kiÇm soát lớn h¢n, nh°ng chúng có nhiÅu nh°āc điÇm làm cho khó kÃt hāp với vi b¢m Viác tích hāp vi van này vào vi b¢m v¿n là thách thćc trong quá trình chà t¿o và thu nhỏ vi b¢m Các vi b¢m với vi van th°ßng có cÃu trúc phćc t¿p ĐiÅu này sÁ làm tng chi phí và nguy c¢ thÃt b¿i trong chà t¿o Ho¿t đáng cąa các vi van này có sự chuyÇn đáng cąa các bá phÁn biÃn d¿ng Do vi van bá biÃn d¿ng với tÅn suÃt cao khi b¢m ho¿t đáng, đặc biát

là van mát chiÅu, các bá phÁn này có thÇ bá bào mòn theo thßi gian, bá vÿ hoặc không thÇ trá l¿i tr¿ng thái bình th°ßng ban đÅu Trong nhiÅu ćng dăng y sinh, vi b¢m th°ßng đ°āc dùng đÇ vÁn chuyÇn tà bào, phân tā và các lo¿i h¿t khác có các tính chÃt dß bá thay đãi hoặc h° h¿i bái các tác đáng c¢ hãc và vi b¢m với vi van th°ßng không phù hāp cho ćng dăng y sinh nh° vÁy [71]

Tÿ nhăng nh°āc điÇm phân tích á trên, mát giÁi pháp đÇ kiÇm soát h°ớng cąa dòng chÁy dựa vào các cÃu trúc hình hãc cß đánh đã đ°āc sā dăng CÃu trúc hình hãc cß đánh này đôi khi đ°āc gãi là van không di chuyÇn (No Moving Part Valve- NMPV) Khi chúng đ°āc kÃt hāp với vi b¢m, các vi b¢m này đ°āc gãi là vi b¢m không van vì chúng không sā dăng van đÇ điÅu chßnh l°u l°āng Vi b¢m không van là mát lựa chãn tßt h¢n khi sā dăng trong y sinh Các van NMPV t¿o ra sćc cÁn đßi với dòng chÁy theo h°ớng không mong mußn lớn h¢n là theo h°ớng mong mußn Chúng t¿o ra mát dòng chÁy theo h°ớng thuÁn mà không có c¢ cÃu hay bá phÁn chuyÇn đáng Mát ví dă đáng chú ý cąa van NMPV là phÅn tā vòi phun/khuÃch tán nh° mô tÁ trong Hình 1.12

Hình 1.12 Thiết kế chung của phần tử vòi phun/khuếch tán

Sau khi đ°āc giới thiáu vào nm 1993 bái E Stemme, phÅn tā vòi phun/khuÃch tán đã nhÁn đ°āc rÃt nhiÅu sự quan tâm cąa các nhà nghiên cću