Luận án tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo kênh dẫn vi lỏng bằng công nghệ in phun trên đế giấy ứng dụng trong cảm biến sinh học

LỜI CAM ĐOANTôi cam đoan Luận án tiến sĩ ngành Khoa học vật liệu, với đề tài “NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO KÊNH DẪN VI LỎNG BẰNG CÔNG NGHỆ IN PHUN TRÊN DE GIÁY UNG DỤNG TRONG CẢM BIEN SINH HỌC” là

TONG QUAN issssssssssssscsccccecccensnssssusnusnssssessseeeeceseceeceeeeeesssnssnsnsensseess 1 1.1 Tổng quan về kênh dẫn vi long và linh kiện Vi lỏng

Định nghĩa kênh dẫn vi lỏng và linh kiện vi long 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới . -cz+222vvscccccz+z 5 1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nưỚC ¿-¿- - + + + +++++x+x+£e£erxrxekereree 7 1.1.4 Ứng dụng của linh kiện vi lỏng -¿¿- +2225+++2cvvseretrrvecree 7 1.1.5 Một số loại vật liệu được sử dụng làm để của linh kiện vi lỏng

Trong những năm gần đây, có rất nhiều nghiên cứu khoa học về các linh kiện vi lỏng (microfluidic devices) và linh kiện nano vi lỏng (nanofluidic devices) [1-15].

Hai loại linh kiện ké trên đều có khả năng tương tác với những dòng chất lỏng có thé tích vô cùng nhỏ; tuy nhiên điểm khác biệt giữa hai loại linh kiện kể trên nằm ở kích thước chiều nhỏ nhất của linh kiện Nếu chiều nhỏ nhất của linh kiện có kích thước nam trong khoảng từ 1 nanomet (nm) đến 1 micromet (um) thì linh kiện được xếp vào loại linh kiện nano vi lỏng Còn nếu kích thước chiều nhỏ nhất nằm trong khoảng từ 1 micromet đến 1 milimet (mm) thì linh kiện được gọi là linh kiện vi lỏng (còn được gọi là chip vi long) (Hình 1.1) [1] Việc phân chia linh kiện dựa trên độ lớn kích thước giúp làm rõ đối tượng mà từng loại linh kiện có thê tương tác Đặc trưng về kích thước nanomet giúp các linh kiện nano vi lỏng có thé tương tác với vi-rút, axit deoxyribonucleic (DNA — Deoxyribonucleic acid) Các linh kiện vi long ở kích thước micromet có thê tương tác với vi khuân và tê bào.

Linh kién Linh kién nano vi long vi long

1A Inm 1 um 1mm Im eS laL IfL IpL Ink lụL ImL IL 1000L

Hạt nhân DNAÊ —.—= Tóc Côn trùng Conngười ` `

Vi-rút % Té bao Bơm chat lỏng thông thường

Hình 1.1 Tương quan kích thước của chip vi long, tế bào, vi khuẩn [1]

Vi long là thuật ngữ nói về một lượng chat long rat nhỏ chảy trong các kênh dan có kích thước năm ở thang micromet Lĩnh vực nghiên cứu vi lỏng được xem là ngành khoa học nghiên cứu về đặc tính dòng chảy trong các kênh dẫn vi lỏng, nghiên cứu về công nghệ sản xuất các thiết bị vi lỏng cũng như các ứng dụng của thiết bị vi lỏng trong các ngành hóa học, sinh học, vật lý [1-15] Đây là một lĩnh vực mới khá thú vị trong khoa học và kỹ thuật, cho phép phân tích và kiểm soát dòng chất lỏng ở quy mô nhỏ đồng thời có ưu điểm về kích thước linh kiện nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, hiệu suất làm việc tốt Có thể định nghĩa rằng, kênh dẫn vi lỏng là kênh dẫn chất lỏng có kích thước chiều nhỏ nhất năm trong khoảng từ 1 wm đến 1 mm Con linh kiện vi lỏng hay còn gọi là chíp vi lỏng được định nghĩa như là những thiết bị bao gồm một hoặc nhiều kênh dẫn vi lỏng (có thé tích hợp thêm các linh kiện vi lỏng khác như bom vi long, van vi lỏng ) dùng dé điều khiển các dòng chảy có dung tích nhỏ, phục vụ cho một mục đích cụ thê Hình 1.2 dưới đây là hình ảnh một chíp vi lỏng đơn giản gồm có hai đầu vào và một đầu ra được chế tạo trên dé silic và được kết dính với miếng polystyrene phía trên [5] Chức năng chính của chíp vi lỏng này là trộn hai dong chat lỏng dau vào với nhau.

Hình 1.2 Chip vi lỏng dùng dé trộn hai dòng chất lỏng với nhau: thiết kế (hình trái) va chip vi lỏng sau khi được chế tạo (hình phải) [5]

Những kênh dẫn trên chip vi lỏng có kích thước cỡ micromet nên dòng chảy trên kênh dẫn vi lỏng có những tính chất khác biệt so với dòng chảy ở kích thước thông thường Những tính chất đặc trưng đáng chú ý của chíp vi lỏng cũng như dòng chảy vi lỏng như sau: kích thước nhỏ gon; tỉ lệ diện tích bề mặt trên thé tích lớn; dòng chảy chủ yếu là dòng chảy tầng: lực mao dẫn ảnh hưởng lớn đến tốc độ dòng chảy; sức căng bề mặt và lực nhớt đóng vai trò lực cản dòng chảy Đặc trưng nổi bật nhất của chíp vi lỏng đó là kích thước nhỏ (trong thang đo micromet) Nhờ vậy, lượng chất lỏng chảy trong chip vi lỏng có thé được điều khiển chính xác đến từng microlit (ul) hoặc nanolit (nl) Kích thước nhỏ gọn giúp chip vi lỏng có thé được chế tạo thành các thiết bị cầm tay, dé vận chuyền, mang trên người, hay được dùng dé tích hợp vào các thiết bị khác tạo thành một thiết bị tự động đa chức năng Một ví dụ cụ thé là hệ thong vi phân tích toàn phần (uTAS — Micro Total Analysis Systems) (Hình 1.3) [6] Hệ thống này được đeo trên người bệnh nhân, có thé lay mẫu từ tay bệnh nhân sau đó phân tích và cho ra kết quả.

Lọc sinh học với Hạt từ với cảm biên miễn dịch Van vi lỏng dendrimer

_ Mạch và hệ thống điều khiển ar Cam biến lưu lượng

Chip tích ` hợp dòng — sinhhọc ~— a

Hình 1.3 Hình anh một vi hệ thong phân tích được gắn trên tay bệnh nhân [6]

Các công đoạn phân tích bao gồm những phản ứng hóa học khi được ứng dụng trên chip vi lỏng không những tiết kiệm được lượng chất cần sử dung mà còn rút ngắn được thời gian cho ra kết quả Ví dụ như công bố khoa học của Amy E Herr và các đồng sự đã đưa ra một hệ thống vi lỏng có khả năng định lượng những dấu hiệu về bệnh răng miệng với mẫu phân tích là 20 pl nước bọt và thời gian cho kết quả chỉ trong vòng 10 phút [16] Hình 1.4 là mô hình của thiết bị vi lỏng với các dòng chảy mẫu phân tích (sample_S), chất đệm (buffer_B), mAb' (kháng thé nhận biết dấu hiệu của bệnh nha chu (MMP-8)) và đầu ra dòng chảy là các chat thải (sample waste_SW và buffer waste_BW).

Hình 1.4 Mô hình chip vi long phát hiện bệnh nha chu từ mau nước bọt [16]

Một đặc điểm khác của dòng chảy chất lỏng trong kênh dẫn vi lỏng đó là dòng chảy chủ yếu là dòng chảy tầng Số Reynolds được sử dụng dé phân biệt giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rỗi Trong cơ học chất lưu, số Reynolds (Re) là một giá trị không thứ nguyên biểu thị độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây bởi lực quán tính và lực ma sát (tính nhớt) lên dòng chảy [17-21] Dòng chảy là dong tầng khi số Re nhỏ hon 2300 và là dòng rối khi số Re lớn hơn 105 Số Re được tính theo công thức:

Trong công thức kể trên p, u, Le, p, v tương ứng là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m), vận tốc của dòng chảy (m/s), độ dài đặc trưng của dòng chảy (m), độ nhớt động lực học của chất lỏng (Pa.s, N.s/m? hoặc kg/(m.s)) và độ nhớt động học của chất lỏng (m2/s) Do các kênh dẫn trên chíp vi lỏng có kích thước nhỏ, độ dài đặc trưng và vận tốc của dòng chảy đều có giá trị rất nhỏ Do đó, hệ số Re thường chỉ vào khoảng vài đơn vị cho đến vài trăm (nhỏ hơn giá trị 2300) Việc điều khiển dòng chảy tang dé dàng hơn rất nhiều so với dong chảy rỗi, khả năng lặp lại và độ ôn định cũng cao hơn Nhờ có độ lặp lại tốt nên chíp vi lỏng có thé được ứng dụng trong các hệ thống cảm biến sinh học, tổng hợp thuốc, bọc tế bào

Dòng chảy từ dau vao 1

Các kénh đầu vào Góc nhìn Dòng chảy từ tiếp tuyển từ mặt sau đầu vào 2

Hình 1.5 Chip vi lỏng T-mixer không thang hàng có khả năng trộn lan hai dòng chất lỏng đâu vào có số Reynolds thấp [22]

Tuy nhiên, trong trường hợp cần phải trộn lẫn hai hay nhiều dòng chất lỏng với nhau thì dòng chảy tầng là một khó khăn cần phải vượt qua Đối với dòng chảy tầng, hai chất lỏng trộn lẫn với nhau thông qua khả năng khuếch tán của phân tử, thường cần một thời gian rất dai dé hoàn toàn hòa trộn vào nhau Tuy vậy, điểm yếu này có thể vượt qua được băng các linh kiện vi lỏng phụ trợ Ví dụ như chíp vi lỏng không thăng hàng có thiết kế gồm hai đầu vào không thắng hàng, tạo ra một khu vực chảy xoáy bên trong chip được nghiên cứu và chế tạo bởi nhóm nghiên cứu Sun Min Kim và các cộng sự (Hình 1.5) [22] Như vậy, có thé thay rang yếu tố dòng chảy tang vừa có ưu điểm độ lặp lại và tính ôn định cao cho chip vi long, vừa là nhược điểm trong trường hợp phải trộn lẫn nhiều chat với nhau Tuy vậy, nhược điểm này có thé vượt qua bằng các linh kiện hỗ trợ như đã nêu trên.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trên thé giới

Chíp vi lỏng ngày càng được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cảm biến, trộn, tách chiết, phân tích [1-16,22-24] Hình 1.6 bên dưới biểu thi số lượng bài báo khoa học về linh kiện vi lỏng ứng dụng trong tách chiết chat lỏng đã gia tăng đáng ké từ năm 1978 cho đến 2020 Có thé thay rằng, chip vi lỏng nói chung đã được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong khoảng 10 năm gần đây với hơn 1500 công bố mỗi năm cho riêng việc ứng dụng trong tách chiết [23].

Hình 1.6 Số lượng bài báo khoa học về linh kiện vi lỏng ứng dụng trong tách chiết chat long được công bồ từ 1978 đến 2020 [23]

Tiềm năng ứng dụng của chip vi lỏng đến chủ yếu từ khả năng tương thích với nhiều loại chất lỏng khác nhau Trong quá trình di chuyển chất lỏng sẽ thực hiện những phản ứng, trộn, hoặc phân tách tùy vào mục đích thiết kế của con chíp Ngày nay, chíp vi lỏng không nhất thiết chỉ thực hiện một chức năng mà còn được thiết kế như là một tổ hợp các hệ thống vi lỏng có nhiều chức năng riêng Những hệ thống này được thiết kế bố trí trên cùng một nên vật liệu chung, có thể tự động thực hiện nhiều bước trong một quy trình, như chuỗi phản ứng trong quy trình phân tích và tổng hợp Những hệ thống như vậy còn được gọi là “lab-on-a-chip” (LOC), có khả năng thực hiện các bước thí nghiệm, phân tích tương tự như trong một phòng thí nghiệm một cách tự động [25-31].

Hiện nay, quy trình chế tạo kênh dẫn vi lỏng đa số dựa trên công nghệ quang khắc, công nghệ tạo hình bằng laser, đúc khuôn đã có những phát triển vượt bậc

[32-41] Vật liệu sử dụng cho chip vi lỏng cũng trở nên đa dạng hơn: từ silic, thủy tinh cho đến các loại nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt ran, giấy [1-11,36-40] Mỗi phương pháp chế tạo cho mỗi loại vật liệu đều tồn tại những ưu nhược điểm riêng Trong số những hướng chế tạo ké trên, công nghệ in phun nỗi bật hơn so với những quy trình truyền thống với những ưu điểm như độ chính xác cao, quy trình chế tạo đơn giản,tiết kiệm vật liệu [42-47].

1.1.3 Tình hình nghiÊn cứu trong nước

Hiện nay, các nghiên cứu tại Việt Nam về lĩnh vực cảm biến sinh học nói chung và cảm biến sinh học vi lỏng nói riêng đã ghi nhận được nhiều kết quả nổi bật [48- 60] Tuy vậy, hầu hết những nghiên cứu ké trên đều sử dụng phương pháp quang khắc tốn kém, nhiều công đoạn đồng thời sử dụng vật liệu polymer, silic, thủy tỉnh có chi phí cao hon vật liệu giấy, đi kèm nhược điểm khó tiêu hủy Còn xét trên vật liệu giấy, các nghiên cứu tại Việt Nam hau hết tập trung vào các que thử định tính [61- 69] Như vậy, có thé thấy rang cảm biến sinh học vi lỏng trên dé giấy có thé định lượng các chất sinh học chưa được nghiên cứu nhiều tại Việt Nam.

Kênh dẫn vi lỏng là thành phần dẫn chất lưu quan trọng của cảm biến vi lỏng. Hiện nay có thể ké ra một vài công nghệ chế tạo kênh dẫn vi lỏng tại Việt Nam như công nghệ quang khắc dành cho vật liệu polymer, thủy tỉnh, silic; công nghệ khắc laser, đỗ khuôn dành cho vật liệu polymer Các công nghệ này đều có chi phí chế tạo khá cao, lãng phí vật liệu nền nên đây giá thành sản phẩm lên cao Vì vậy, để có thể hướng đến những sản phâm thương mại với giá thành hợp lý, việc nghiên cứu quy trình chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy là vô cùng cần thiết Mặt khác, trong số các quy trình chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên đề giấy thì phương pháp in phun là phương pháp thích hợp với ưu điểm nhanh chóng, tiết kiệm nguyên vật liệu, độ chính xác khá cao giúp giảm giá thành sản phẩm cuối cùng [32-38,42].

1.1.4 Ung dung cia linh kiện vi long

1.1.4.1, Loc, phan tach mẫu vi hạt

Phân tách mẫu là một bước quan trọng trong quá trình chuân bị mẫu, đóng vai trò to lớn trong các quy trình phân tích hóa sinh để chân đoán bệnh, kiểm định và đánh giá thực phẩm hay môi trường Chíp vi lỏng có thể dùng phân tách các hạt có kích thước cỡ micromet như các tế bào sinh học Các phương pháp tách lọc băng chíp vi lỏng có thê chia làm hai nhóm là chủ động hoặc bị động Phương pháp chủ động dùng những tác động bên ngoài như sóng âm, điện, từ thường đòi hỏi gắn thêm các hệ thông phức tạp bên ngoài [70-75] Phương pháp bị động sử dụng những tác động bên trong (sử dụng sự tương tác giữa các hạt với cau trúc kênh dẫn, cơ chế dòng chảy) [76-79] Ưu điểm của phương pháp tách lọc bằng chíp vi lỏng đó là sự tương đồng về kích thước tế bào, vi hạt và kích thước kênh dẫn, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong thực tế.

Nhìn chung, các cảm biến vi lỏng mang nhiều ưu điểm như giảm được lượng mẫu và thuốc thử, giảm thời gian phản ứng dẫn đến giảm thời gian cần thiết cho quy trình phân tích Vì vậy, mà chíp vi lỏng được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng nhiều trong các loại cảm biến hóa học và sinh học hiện nay [26-38] về nguyên tắc hoạt động, cảm biến vi lỏng gần giống như các cảm biến thông thường khác với tín hiệu thu được vô cùng đa dạng, có thể là tín hiệu quang, dòng điện hay điện thế. Oliver Geschke và các cộng sự đã chế tạo thiết bị chíp vi lỏng tích hợp diode quang (photodiode) Bằng cách đo đạc tín hiệu quang thu được từ phản ứng phát quang hóa hoc (chemiluminescent reaction) giữa hydrogen peroxide (HạO;) va luminol

Tổng quan về phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy

Năm 2007, cảm biến sinh học dau tiên trên dé giấy được chế tạo thành công bằng phương pháp quang khắc bởi nhà hóa học người Mỹ George Whiteside và các cộng sự [81] Ké từ đó, nhiều phương pháp chế tạo chíp vi lỏng khác sử dụng vật liệu dé giấy cũng đã được dé xuất và cải thiện dan theo thời gian Có thé ké ra bốn nhóm phương pháp chế tạo chính như Hình 1.12 dưới đây [116].

Vẽ sáp (Wax Mực polymer Đóng dẫu sáp

A drawing) B in/ dong dau (Wax stamping) Cc F

" mực \ J : \ E / ch P fr Polyme ky nước

Phủ nhúng sáp © oh J WH sap (Wax)

(Wax dipping) X vẽ Đôn dấu „ a Sap nóng chảy s- =5" Z ng

=> Quang khac Dé giấy ban dau TM, Y Cắt rời ot tH: 7

F P f ) ~~ = mm VI 4 ~ P “ Ink Dispersion Printing Flexographic Printing J Ss

G In sỏp (Wax H In giỏn tiếp ẽ Inphun

Hình 1.12 Bon nhóm phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy [116]

1.2.1 Phương pháp cắt và tạo hình (cutting/shaping)

Cắt và tạo hình trên đế giấy là một phương pháp đơn giản tạo ra linh kiện vi phân tích trên dé giấy (uPAD — Micro paper-based analytical device) [117-120]. Phương pháp này có hai ưu điểm là không sử dụng hóa chat, đồng thời quy trình chế tạo đơn giản sử dụng máy cắt hoặc máy laser Máy cắt dùng lưỡi dao với lực cắt, góc cắt, tốc độ được điều khiển băng máy tính được sử dụng dé tạo ra các đường cắt hình thành kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy Nhược điểm của phương pháp này là dé giấy có thê bị cong hoặc rách trong quá trình cắt Máy cắt laser sử dụng laser COa được điều khiển bằng máy tính sử dụng nhiệt tạo từ tia laser để đốt trong chế tạo „PAD Nhìn chung, nhóm phương pháp này có ưu điểm là có thé cắt vật liệu giây chỉ với một bước chê tạo nhưng nhược điêm là sai sô kích thước khá lớn, thiết bị chế tạo chính xác có chi phí cao.

16 cháy giấy cũng được dùng

1.2.2 Phương pháp thủ công (handcraft)

Phương pháp thủ công (handcraft) được xem là một phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và ít tốn kém nhất hiện nay Phương pháp này chỉ đơn giản sử dụng một cây bút có chứa bên trong dung dịch mực polymer vẽ lên vật liệu dé giấy, chờ mực polymer tương tác với dé giấy dé tạo thành thanh chắn không thấm nước; có thé gia nhiệt dé rút ngắn thời gian mực tương tác với giấy Một phương pháp khác được sử dụng là dùng một khuôn khắc bên trong chứa dung dịch mực polymer ấn xuống nền vật liệu dé giấy, mực tương tác với dé giấy cũng tạo thành thanh chắn Nhược điểm của nhóm phương pháp này là thủ công nên khó có thể thực hiện được các chỉ tiết phức tạp và độ thâm mỹ không cao [121,122].

1.2.3 Phương pháp mặt nạ (mask)

Phương pháp quang khắc (photolithography) là một phương pháp nồi trội trong nhóm các phương pháp mặt nạ Phương pháp quang khắc là một kỹ thuật thường được sử dụng trong việc chế tạo linh kiện bán dẫn Hình anh chi tiết được tạo thành bang cách sử dụng tia tử ngoại làm biến đối chất cản quang phủ trên bề mặt Đến năm

2007 phương pháp quang khắc lần đầu tiên được dùng dé tạo ra PAD bởi nhà khoa hoc Whiteside trên nén vật liệu dé giấy (Hình 1.13) [81]. Đề giấy b) ban đầu a) | hoa plasma va cắt từng chỉ tiết ra

Ngâm vào chat Giấy ¥ cản quang Chat can quang

Nung nhiét va vate | Nhỏ thuốc ý datmatnalén kim soát Ý thử và để khô

Mặt P sục ci 2 Thudc thử Thuốc thử

Chiéu tia UV ¥ và nung nhiệt

Hiện ảnh và làm sạch

+ bề mặt với propan-2-ol re a8

Hinh 1.13 Quy trinh ché tao kénh dan vi long trén dé gidy bang phwong phap quang khắc [81]

1.2.4 Phương pháp in ấn (printing) a Phương pháp in sap (wax printing)

Những hạn chế của phương pháp quang khắc về chi phí cao, quy trình phức tap đã dẫn đến sự phát triển của các phương pháp chế tạo khác có chi phí thấp hơn Một trong những phương án thay thế đó là sử dụng sáp thay cho chất cản quang, quy trình cũng chuyền từ quang khắc sang dạng in ấn Từ đó, in sáp trở thành một phương pháp được sử dụng chế tạo kênh dan vi lỏng với chi phí thấp và dé tiếp cận [13,123-125].

Phương pháp này sử dụng máy in sap, trong đó sap được chứa trong hộp mực in Sap được làm nóng trong máy và chảy rơi xuống vật liệu giấy Sau khi sáp đã tiếp xúc đến dé giấy thì được làm mát theo một quy trình chuẩn bị sẵn Nhược điểm của phương pháp này là do tính chất không ồn định của sáp, khi gia nhiệt sáp có xu hướng lan rộng không đồng đều; vi vậy sáp có thé không thấm vào bề mặt giấy dé tạo ra các rào chắn ky nước như mong muốn. b Phuong pháp in phun (inkjet printing)

Hiện nay, phương pháp in phun là một phương pháp kha mới, thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu trên khắp thế giới Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng công nghệ này có tiềm năng ứng dụng to lớn trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sinh học, chíp vi lỏng, vật lý, hóa học, điện tử Điều này có được là nhờ sự phong phú của các loại mực in có thé dùng cho công nghệ in phun, từ mực in kim loại dùng cho các ứng dụng chế tạo mạch điện tử, mực in ống nano carbon (CNT - Carbon Nanotube) dùng trong chế tạo cảm biến cho đến các mực in chứa các chất hữu cơ hay mực in có chứa các chất sinh học dùng cho việc chế tạo cảm biến sinh học, cảm biến hóa học [126-135] Trong đó, mực in hữu cơ được nghiên cứu và ứng dụng trong việc chế tạo các kênh dẫn vi lỏng trên đề giấy Nhìn chung, phương pháp in phun được đánh giá có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp khác trong việc chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giay với những ưu điểm như chế tao được các kênh vi lỏng có thiệt kê phức tạp, có độ chính xác cao hơn so với nhóm

18 phương pháp chế tạo thủ công, đơn giản và tiết kiệm vật liệu hơn so với nhóm phương pháp cắt/tạo hình, ít bước chế tạo hơn so với phương pháp dùng mặt nạ.

Năm 2015, Kentaro Yamada cùng các cộng sự đã tổng kết và chia phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy bang công nghệ in phun thành hai hướng chính như sau [42] (Bảng 1.1 và Hình 1.14). e _ Hướng chế tạo trực tiếp: mực in hữu cơ có tính không thắm nước được in phun trực tiếp lên dé giấy nhằm tạo lớp thành bên không thắm nước của kênh dẫn. e Hướng chế tạo gián tiếp: đầu tiên toàn bộ lớp giấy sẽ được phủ lớp không thấm nước Sau đó, mực in hữu cơ có thé hòa tan lớp không thấm nước này sẽ được in phun lên mẫu giấy nhằm hòa tan lớp không thâm nước và làm lộ lớp thắm nước của giay ra.

3s ÔÔÔÔÔÔ ÔỎ — r Giá xá wk N ian tiếp Trực tiép \

Phủ lớp ky nước Chất lỏng ky, ‘

H nhúng, phun, ' in lụa ) Mặt nạ Mặt nạ “4 nước |

H Ky nước ' h Plasma, dung môi, , ¡ h UV/O; (ăn mòn) (quang | khắc) t

Hình 1.14 So sánh quy trình in phun trực tiếp và in phun gián tiếp [42]

Bảng 1.1 Bang so sánh giữa phương pháp in phun trực tiếp và in phun gián tiếp

In phun trực tiếp In phun gián tiếp Ưu điểm | - Chỉ cần một bước in phun - Chất hòa tan có độ nhớt thấp. phun.

2Ä - Dễ gây tắc vòi phun vì mực điểm gay p ! có độ nhớt cao.

- Có hiện tượng giọt vệ tinh.

- Cân bước gia nhiệt sau khi in - Phải in phun nhiều lần dé hòa tan hết lớp không thâm nước

- Quy trình in phun bao gồm hai bước.

- Làm thay đổi tính chất của lớp giấy.

Hai hướng chê tạo trên tôn tại những ưu nhược điêm riêng, những ưu điêm của phương pháp này thì phương pháp kia không có và ngược lại Do đó, gần đây một vài nghiên cứu trên thế giới đang hướng đến một phương pháp in phun khác, đơn giản hon dé có thể chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy; đây được xem là phương pháp kết hợp những ưu điểm của hai phương pháp trên và cũng khắc phục phần nào nhược điểm của cả hai phương pháp trên Phương pháp này sử dụng một loại dé giấy đặc biệt hon, đó là loại dé giấy đã được ép một lớp không thâm nước phía dưới Khi đó, mực in hữu cơ sẽ được in phun tại một so vi trí xác định Mực in hữu cơ này có khả năng loại bỏ lớp giấy, dé lộ lớp không thấm nước phía dưới đóng vai trò là thành chắn của kênh dan.

Hình 1.15 Phuong pháp chế tao thành chắn của kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy

Nitrocellulose bằng mực in hữu co

Hơn nữa, phan ứng giữa mực in và giấy cũng tạo thành lớp màng mỏng trong suốt không thắm nước, nhờ đó giúp tăng cường khả năng chống thấm nước [136]. Đặc điểm của phương pháp này là đường chan ky nước sẽ lõm xuống, tạo thành rãnh chắn nước, chứ không lồi lên như các phương pháp khác (Hình 1.15) Phương pháp in phun ăn mòn dé giấy được chọn là phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng của đề tài Luận án này.

1.3 Tong quan về công nghệ in phun

In phun là một kỹ thuật in trực tiếp không dùng đến các khuôn in, mặt na; phương pháp này sẽ day các giọt mực nhỏ ra khỏi dau in kết hợp với dé in hoặc đầu 1n đi chuyển tạo thành hình ảnh mong muốn (Hình 1.16) Ngày nay, kỹ thuật in phun được biết đến rộng rãi và được sử dụng trong hầu hết các loại máy in dành cho văn phòng trên toàn thế giới Công nghệ in đặc biệt này sử dụng nhiều nguyên tắc khác nhau dé in hoàn chỉnh hình ảnh lên đê như yêu câu. Í Vƒ 1.

Chiều chuyên động của dé

Hình 1.16 Minh họa quy trình tạo chỉ tiết bằng kỹ thuật in phun

Sau gần 30 năm phát triển, kỹ thuật in phun từng bước được quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng vào việc chế tạo các đường mạch trong các sản phẩm điện tử Một số hãng chế tạo đầu in nồi tiếng có thé kế đến như Xaar, Spectra, Seiko, Tektronic, Fujifilm Từ giữa những năm 90, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu nhận thấy rang kỹ thuật in phun là một công cụ đơn giản nhưng hiệu quả dé chuyên lượng nhỏ chat lỏng

21 lên bề mặt đế mà không cần tiếp xúc Đặc biệt hơn là trong lĩnh vực sinh học, vi lỏng, vi chế tạo công nghệ nay đã thu hút rất nhiều sự chú ý Công nghệ in phun có thé được sử dụng dé in nhiều loại mực khác nhau như mực in kim loại [137], polymer [138], dung môi [139] tùy vào từng loại ứng dung cu thê.

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM . -+e 45 2.1 Vật liệu, hóa chất dùng cho các thí nghiệm 2.1.1 Dé giấy Nitrocellulose (NC) csssssssssssesssssseessssssesessssiessssssseesssseesesesseeees 45 2.1.2 Hóa chất dùng cho quy trình phối trộn mực in hữu cơ

Hóa chất dùng cho quy trình sinh học . z2: 49 2.2 Các thiết bị thí nghiệm chủ yếu trong Luận án

Hoá chất dùng cho quy trình sinh học được liệt kê trong Bảng 2.2 dưới đây.

Bảng 2.2 Danh sách vật liệu hoá chất sử dụng trong quy trình sinh học

Tên hóa chất Công thức Xuâ t | Độ fin h Muc dich sir dung xứ khiêt

Dùng cho dung dịch Potassium chloride KCl 99,5% | phosphate buffer saline

Wako Dùng cho dung dich Sodium chloride NaCl Pure 99,5% | phosphate buffer saline

Chemic (PBS) al - Chloric acid HCl 99,5% | Điêu chỉnh pH

Ding cho dung dich Sodium hydroxide NaOH = 97% khoá (Blocking solution) 0 :

Disodium Na;HPO, | Wako 99% | Dùng cho dung dịch hydrogenphosphate Pure dém phosphate buffer va

Tên hóa chất Công thức Xua t | BO fin h Mục đích sử dụng xứ khiêt

Chemic phosphate buffer saline al (PBS)

Dùng cho bước chuẩn bị

Sucrose Ci2H2011 - Khang thé da dong anH- mouse IgG tại vùng kiêm soát (control zone) ơ Dựng cho dung dịch

Boric acid H›BO: 9.5% khoá (Blocking solution)

Sodium dodecyl NaCi2H2s5S > 05% Dùng cho dung dịch rửa sulfate (SDS) O4 ~ ° (Washing solution)

Bovine serum Sigma- - Dùng cho dung dịch albumin (BSA) Aldrich đệm phosphate buffer

Poly clonal rabbit Khang thé da dong dong anti-mouse Dako aN max"

vai tro tạo tín hiệu tai immunoglobulins (Dan - ` wh ⁄

(anti-mouse IgG Mach) zone) pAb)

Anti-human Bị cx ". chorionic Khang thé bat hay con

mica - - Tà Le R gonadotropin (anti- x goi la khang thé 1 hCG) (Phan

Phosphatase : Kháng thé phát hiện liên conjugated rabbit Doj ind - két enzyme Alkaline monoclonal o (Mỹ) phosphatase (ALP) antibody to hCG

(ALP-anti-hCG ; mAb) được chuan bị

Tên hóa chat Công thức Xua t | BO fin h Mục đích sử dụng xứ khiêt từ bộ ALP-labelling kit

Human chorionic ceutical - Khang nguyén gonadotropin (hCG) (Nhat

39-indolyphosphate ; p-toluidine salt, Nascal Co chat (hay còn gọi là nitro-blue ai chat nén) tetrazolium chloride Tesque

Chat dém co chat va khang nguyén

Tat cả các hóa chat đêu được mua từ thương hiệu có uy tin va được bảo quan an toàn trong những điều kiện phù hợp theo yêu cầu của nhà sản xuất đưa ra.

2.2 Các thiết bị thí nghiệm chủ yếu trong Luận án

Các thiết bị thực nghiệm sử dụng trong Luận án này đều có tại Viện Công Nghệ Nano — Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

Thiết bị in phun áp điện chuyên dụng Ceraprinter X-serie

Hình 2.5 Thiết bị in phun chuyên dụng Ceraprinter X-series tại INT

Thiết bị in phun Ceraprinter X-serie (Hình 2.5) là thiết bị in phun áp điện sử dụng dạng sóng (xung điện thế) riêng được đề xuất bởi hãng sản xuất Dạng sóng là thông số quan trọng quyết định sự hình thành giọt mực Thông số này được điều chỉnh thông qua phần mềm điều khién trong máy in phun Một dang sóng tiêu chuẩn bao gồm bốn pha được đánh số từ 0 đến 3 được thé hiện trong Hình 2.6 dưới đây. ae "

Hình 2.6 Dang sóng tiêu chuẩn (trái) va cơ chế in phun áp điện bốn pha (phải)

> Pha 0: đây là pha chưa bắt đầu hoạt động của đầu in, lúc này mực đang trong trang thái chờ (tinh) trong buồng bom của dau in Tại vị trí gần đầu in có một lớp vật liệu áp điện PZT (Pb/Zr/T1) hơi bị cong xuống do luôn

52 có một điện áp nhỏ (khoảng 10V theo như Hình 2.6) được áp vào làm biến đồi nhỏ hình dang của lớp vật liệu PZT.

> Pha 1: Lúc này điện áp được giảm xuống mức thấp làm PZT không còn biến dạng (thậm chí biến dạng ngược lại) và buồng được mở rộng chứa được lượng thé tích mực lớn hơn.

> Pha 2: Tăng điện áp lên cao làm PZT biến dạng và nén buồng bơm.

Buông bom bị nén và tạo ra áp suất đây giọt mực ra ngoài.

> Pha 3: Điện áp bắt đầu giảm đi làm PZT hồi phục dé bắt đầu một chu kì mới với điện áp và buồng bơm được đưa về mức ban đầu.

Thiết bị in phun điện thủy động PSJET-300-V

Thiết bị in phun điện thủy động (Electrohydrodynamic - EHD) PSJET-300-V

(Printing Solution, Hàn Quốc) (Hình 2.7) được sử dụng dé in phun mực hữu co lên trên đê giây Nitrocellulose nhăm tạo ra các rãnh chăn nước.

Hình 2.7 Thiết bị in phun điện thủy động PSJET-300-V tai INT

Thiết bị in phun điện thuỷ động PSJET-300-V có cấu tạo cơ bản như Hình 2.8 dưới đây [158-160] Thiết bị sử dụng đồng thời cả hai nguồn điện: nguồn điện một chiều đương cấp tại vòi phun và nguồn xung âm được khuếch dai và áp vào phan dé.

Một bộ kiêm soát áp suât được sử dụng đê đảm bảo dòng mực đi tới đâu vòi phun ôn

53 định Ngoài ra, thiết bị còn bao gồm một camera đề ghi hình giọt mực và một bộ LED công suất cao dé chiếu sáng cho quá trình ghi hình của camera.

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị in phun điện thuỷ động PSJET-300-V [158]

Với việc kêt hợp cả nguôn một chiêu và nguôn xung âm, điện áp tương đương áp vào dòng mực sẽ là một xung dương như Hình 2.9 [158].

Nguồn DC áp Nguồn xung Điện thế vào đầu in âm áp vào đế tương đương

Hình 2.9 Điện áp tương đương áp vào dong mực [158]

Vai trò của nguồn một chiều là luôn duy trì lực day mực ra khỏi vòi phun, hay nói cách khác là giúp hình thành mặt khum của chất lỏng ở ngoài vòi phun (Hình 2.10a) Ngay khi có xung âm áp vào phan dé của máy in, mặt khum của ddng mực sẽ chuyền từ dạng bán cầu sang thành dạng nón Taylor (Hình 2.10b và Hình 2.10c) Từ đó, tia mực được phun ra khỏi đầu hình nón (Hình 2.10d) Kết thúc chu kỳ, mặt khum của dòng mực sẽ quay lại hình bán câu.

Meniscus profile maa nd WwW

Hình 2.10 Hình ảnh mặt khum chất lỏng ứng với các giai đoạn trong chu kỳ phun mực của thiết bị in phun điện thủy động [158]

Giá trị thế một chiều sẽ được tuỳ chỉnh phụ thuộc vào bản chất dòng mực (độ nhớt, sức căng bề mặt, độ dẫn điện của chất lỏng ) và kích thước đường kính vòi phun sao cho đảm bảo luôn duy trì lực day mực ra khỏi vòi phun Giá trị xung sẽ được lựa chọn sao cho vừa đủ dé hình thành lực day tia muc ra khoi mat khum hinh nón Taylor Như vậy, ứng với mỗi loại mực khác nhau, kích thước đường kính voi phun khác nhau sẽ có một bộ thông số điện áp một chiều và điện áp xung thích hợp.

Và hai thông số này chỉ có thê được tuỳ chỉnh trong một khoảng giá trị rất nhỏ mà vẫn giữ cho tia mực được phun ra khỏi vòi phun Đây được xem như là một khuyết điểm của công nghệ in phun điện thuỷ động, khi mà vùng giá trị điện thé chỉ có thé dao động trong một vùng giá tri khá nhỏ.

Qa —@— In dạng non không ổn định

—®— In dạng nón ổn định

Hình 2.11 Sự anh hưởng cua điện thế và lưu lượng lên trạng thái tia mực [161]

Nhận xét này hoàn toàn tương đồng với công bố năm 2017 của nhóm nghiên cứu Muhammad MLR va các cộng sự [161] Trong công bố này, nhóm nghiên cứu khảo sát nhiều điều kiện điện thế khi in phun điện thuỷ động Kết quả thu được chỉ ra rằng giá trị điện thế ảnh hưởng rất nhiều lên hình dạng đường phun mực và khoảng giá trị điện thế nhằm thu được đường phun mực hình nón én định (Stable Cone-Jet) rất nhỏ; chi cần lệch giá trị điện thế này sẽ dẫn đến trạng thái in bat ôn định (Unstable Cone-Jet) hoặc trạng thái in nhiều tia (Multi-stable Cone-Jet) (Hình 2.11).

Nhìn chung, sự kết hợp của hai nguồn khác nhau mang lại một ưu điểm lớn đó là giảm bớt độ lớn xung cần thiết Nếu chỉ có một nguồn xung áp thế vào dòng mực, thì thé đó sẽ rất lớn dé gần như ngay lập tức tích điện cho dòng mực, đây mực ra khỏi vòi phun tạo thành mặt khum nón Taylor và hình thành tia mực bắn xuống đế Việc luôn duy trì mặt khum của chất lỏng giúp cho nguồn xung cần dùng không quá lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là phải luôn duy trì nguồn điện một chiều, dẫn đến tiêu tốn năng lượng không cần thiết.

2.2.3 Thiết bị kéo ống thúy tinh (glass puller)

Thiết bị kéo ống thuỷ tinh PC - 10 của hãng Narishige (Nhật Bản) được sử dụng trong bước chế tao vòi phun thuỷ tinh (Hình 2.12) Về mặt cơ bản, thiết bị bao gồm

56 năm phần: núm chỉnh chế độ (lựa chọn giữa chế độ gia nhiệt một bước và gia nhiệt hai bước), bộ phận gia nhiệt, khối tạ, núm chỉnh mức nung nóng của bước gia nhiệt lân một và bước gia nhiệt lân hai.

Hình 2.12 Thiết bị kéo ống thuỷ tinh tại INT bao gỗm năm bộ phận chính: (1) núm lựa chọn chế độ gia nhiệt, (2) bộ phận gia nhiệt, (3) khối tạ, (4) núm chỉnh mức nung nóng của bước gia nhiệt lần một và (5) núm chỉnh mức nung nóng của bước gia nhiệt lần hai

Phần giữa ống thuỷ tinh (glass capillary tube) được đặt vào phan gia nhiệt của thiết bị kéo ống thuỷ tinh va phần đuôi ống thuỷ tinh được gắn với cục tạ Khi phần lò xo gia nhiệt này nóng lên, dưới tác dụng của trọng lực thì ống thuỷ tinh sẽ bị kéo thành hai phan Đoạn thuỷ tinh bị kéo đứt có đường kính trong rất nhỏ, phù hợp làm đầu in phun.

2.2.4 Thiết bị mài vi mô (microgrinder)

Thiết bị mài vi mô NARISHIGE MICRO GRINDER EG - 401 được dùng để mài nhẫn đầu in phun thuỷ tinh (Hình 2.13) Thiết bị sử dụng đá mài siêu mịn kết hợp cùng bộ tinh chỉnh vị trí đầu kim và kính hién vi quan sát

Hình 2.13 Thiết bị mài vì mô NARISHIGE MICRO GRINDER EG - 401 tại INT

2.3 Các quy trình thực nghiệm

2.3.1 Phối trộn mực in hữu cơ

Nguyên liệu chính cho việc chế tạo mực in trên nền DEGBE và C¡zEo bao gồm ba thành phan cơ bản như sau:

- Diethylene glycol monobutyl ether (DEGBE): có tác dụng hòa tan lớp

Nitrocellulose của dé giấy, có độ nhớt thấp khoảng 4,9 cP.

- Nonaethylene glycol monododecyl ether (C12E9): có tác dụng hòa tan lớp

Nitrocellulose của dé giấy, có độ nhớt cao khoảng 58,4 cP.

- Phụ gia (bao gồm các thành phần chính là acrylic polymer, ethanol, glycerol ): được dùng dé cải thiện các tinh chat vật lý của mực in cũng như giúp mực khô nhanh hơn khi in xuống dé giấy.

Quy trình phối trộn (Hình 2.14) mực in dung môi hữu cơ được tiễn hành khá đơn giản bằng cách cho hai chất CzEo và DEGBE vào cốc, sau đó đồng nhất hỗn hợp bang cách khuấy từ trong 30 phút Giữ dung dịch mực in phun ổn định sau 30 phút trước khi sử dung Dung dịch mực in phun tạo thành được bảo quản ở nhiệt độ thấp, vào khoảng 5-10°C.

Ni DEGBE C12E9 Chat phu gia y

Dé ồn định trong 30 phút, sau đó kiểm tra các thông số vật lý

Hình 2.14 Sơ đồ chế tạo mực in hữu cơ trên nên vật liệu DEGBE và C¡zEo Mực in sau khi được chế tạo cần đạt được những tính chất sau:

- Có thé in được với thiết bị in phun với các thông số độ nhớt trong khoảng

8-20 cP, sức căng bề mặt từ 22-36 dyn/cm (sức căng bề mặt tốt nhất là

- (C6 khả năng phan ứng loại bỏ dé giấy Nitrocellulose, từ đó tao thành rãnh chắn nước đóng vai trò thành chắn kênh dẫn vi lỏng.

Thử nghiệm đánh giá tính năng của cảm biến sinh học trên đề giây

3.1 Kết quả khảo sát mực in dung môi hữu cơ sử dụng trong chế tạo kênh dẫn vi long

3.1.1 Kết quả khảo sát độ nhot của mực in dung môi hữu cơ

Như đã đề cập ở Mục 2.3.2 phần kiểm tra độ nhớt của mực trước khi in, dựa vào công thức (2.1) có thé suy ra VBNpecpe = 19,45 va VBNei2eE9 = 31,82 Từ công thức (2.2) và (2.3), có thé tính toán được độ nhớt lý thuyết của hỗn hợp theo tỷ lệ khối lượng (Bảng 3.1) Kết quả đo đạc độ nhớt thực tế bang thiét bi máy đo độ nhớt cũng được trình bày trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1 Kết quả tính toán độ nhớt từ công thức Refutas và độ nhớt thực tế của hỗn hợp mực in phun DEGBE/C)›Eo

Hỗn hợp mực in phun DEGBE/C¡2Eo

%C12E9 | VBN hỗn hợp | Độ nhớt tính toán (cP) | Độ nhớt thực tế (cP)

Hình 3.1 và Bang 3.1 cho thay độ nhớt dự đoán bang công thức Refutas và độ nhớt thực tế của hỗn hợp mực không khác nhau quá nhiều, chênh lệch lớn nhất chỉ là khoảng 0,7 cP Ngoài ra, việc thay đối tỷ lệ Ci2Eo giúp có thé điều khién được độ nhớt của hỗn hợp mực Theo kết quả đo đạc độ nhót thực tế, các hỗn hợp mực với độ

KET QUA VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả khảo sát mực in dung môi hữu cơ sử dụng trong chế tạo kênh

Kết quả đánh giá sức căng bề mặt mực in dung môi hữu cơ

Cỏc thành phan của mực in như DEGBE và C12Eằ cú sức căng bề mặt gần tương đồng với nhau, đều nằm trong khoảng từ 30-31 dyn/cm Hỗn hợp mực in tạo thành có sức căng bề mặt khoảng 30-31 dyn/cm, giá trị này nằm trong khoảng yêu cầu của thiết bị, do đó phù hợp dé sử dụng trong quy trình in phun Hình 3.2 đưới đây là hình trích từ các báo cáo kết quả đo sức căng bề mặt của hỗn hợp mực in Giá trị sức căng bề mặt trung bình của các hỗn hợp mực gần như tương đương nhau, giá trị thấp nhất là 30,31 mN/m và giá tri cao nhất là 30,74 mN/m (103 N/m = 1 mN/m= 1 dyn/cm).

Thong so Gia tri Thong so Gia tri

Sức căng bề mặt trung bình (mN/m) 3031 Sức căng bề mặt trung bình (mN/m) 30.74 Độ lệch chuẩn (mN/m) 0.09 Độ lệch chuẩn (mN/m) 0.36

Thong so Gia tri Thông sô Gia tri Độ lệch chuẩn (mN/m) 0.03 Độ lệch chuân (mN/m) 0.57

Hình 3.2 Hình trích từ các báo cáo kết quả do sức căng bê mặt hỗn hợp mực in

3.1.3 Kết quả quan sỏt giọt mực của hỗn hợp mực in DEGBE/CpEằ

Bảng 3.2 dưới đây tóm tắt kết quả quan sát giọt mực ứng với từng hỗn hợp mực tạo bởi Ci2Eằ và DEGBE Kết quả cho thấy hỗn hợp mực cú độ nhớt thấp hơn 10 cP sẽ xuất hiện giọt vệ tỉnh trong quá trình giọt mực ra khỏi vòi phun Còn các hỗn hợp mực có độ nhớt nằm trong khoảng 10-13 cP cho kết quả in tốt, không có hiện tượng giọt vệ tinh, các giọt mực rơi đồng đều Khi hỗn hợp mực có độ nhớt cao hơn 14 cP thì các giọt mực khó phun ra khỏi vòi phun hơn, dẫn đến một số giọt mực roi chậm hơn Nhìn chung hỗn hợp mực tạo bởi DEGBE và C¡zEs có độ nhớt nằm trong khoảng 10-13 cP sẽ cho giọt mực phun tot, đồng đều và không có hiện tượng giọt vệ tinh.

Bảng 3.2 Độ nhớt và kết quả quan sát giọt mực cua các hỗn hợp mực tạo thành từ

Ci2E9 và DEGBE theo các ty lệ khác nhau

Ci2E9: DEGBE Độ BP) Kết quả quan sát giọt mực

25:75 8,13 Giọt mực phân tách thành nhiều giọt vệ tinh 30:70 951 Giọt mực phân tách thành nhiều giọt vệ tinh

35:65 10,71 Không có hiện tượng giọt vệ tinh

40:60 11,58 Không có hiện tượng giọt vệ tinh

45:55 13,04 Không có hiện tượng giọt vệ tinh

50:50 14,20 Các giọt mực rơi không đồng đều 55:45 16,47 Các giọt mực rơi không đồng đều 60:40 18,30 Các giọt mực rơi không đồng đều Kết quả quan sát giọt mực cụ thé cho từng hỗn hợp được trình bày dưới đây. e_ Quan sát giọt mực của hỗn hợp mực C¡zEo:DEGBE = 25:75

Hỗn hợp mực Ci2E9:DEGBE = 25:75 có độ nhớt 8,13 cP Theo kết quả quan sát giọt mực (Hình 3.3) cho thấy giọt mực bị phân tách ra thành giọt mực chính và rất

72 nhiều giọt vệ tinh Các giọt vệ tinh này sẽ cho chất lượng đường in không tốt, vì vậy hỗn hợp mực này không thỏa yêu cầu chất lượng mực in của nghiên cứu.

Hình 3.3 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi voi phun của hỗn hợp mực

C¡2Eo:.DEGBE = 25:75, độ nhớt 8,13 cP e Quan sát giọt mực cua hỗn hợp mực Ci2E9: DEGBE = 30:70

Hình 3.4 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun của hỗn hợp mực

Hỗn hợp mực Ci2E9:DEGBE = 30:70 có độ nhớt 9,51 cP Kết quả quan sát giọt mực cho thấy hiện tượng giọt vệ tinh xuất hiện, tuy nhiên số lượng giọt vệ tinh đã giảm xuống (Hình 3.4) so với hỗn hợp mực C12Eo:DEGBE = 25:75 kể trên. e Quan sát giọt mực của hỗn hợp mực C:zEo:DEGBE = 35:65

Kết quả quan sát giọt mực của hỗn hợp mực C¡zEs:DEGBE = 35:65 cho thay các giọt mực rơi khá đồng đều và không có giọt vệ tinh (Hình 3.5) Kết quả này cho thay hỗn hợp mực có độ nhớt vào khoảng 10 cP cho chất lượng giọt mực phun rất tốt.

Hình 3.5 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun của hỗn hợp mực

CrE9: DEGBE = 35:65, độ nhớt 10,71 cP ¢ Quan sát giọt mực của hỗn hợp mực C12E9:DEGBE = 40:60

Hình 3.6 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun của hôn hợp mực

CrE9: DEGBE = 40:60, độ nhớt 11,58 cP

Hỗn hợp mực C¡zEs:DEGBE = 40:60 có độ nhớt 11,58 cP Kết quả quan sát giọt mực cho thấy không có hiện tượng giọt vệ tinh, các giọt mực nhanh chóng ồn định ở

75 dạng cầu (Hình 3.6) Tuy nhiên, các giọt mực rơi ít đồng đều hơn so với hỗn hợp mực C12E9:DEGBE = 35:65, độ nhớt 10,71 cP kê trên. e Quan sát giọt mực của hỗn hợp mực CzEs:DEGBE = 45:55

Kết quả quan sát giọt mực của hỗn hợp mực Ci2E9:DEGBE = 45:55, độ nhớt 13,04 cP gần như tương tự với hỗn hợp mực C¡zEs:DEGBE = 40:60, độ nhớt 11,58 cP (Hình 3.7) khi các giọt mực rơi khá đồng đều và không có hiện tượng giọt vệ tinh. Điều này cho thấy độ nhớt 13 cP vẫn cho chất lượng giọt mực in phun khá tốt.

Hình 3.7 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun của hon hợp mực

CrEo:DEGBE = 45-55, độ nhớt 13,04 cP ¢ Quan sát giọt mực của hỗn hợp mực C¡zEo:DEGBE = 50:50

Hỗn hợp mực Ci2E9:DEGBE = 50:50 có độ nhớt 14,20 cP Kết quả quan sát giọt mực cho thấy không có hiện tượng giọt vệ tinh (Hình 3.8) Tuy nhiên, các giọt mực rơi không đều, thể tích và khối lượng các giọt mực cũng khác nhau Điều này có thé lý giải rằng độ nhớt của hỗn hợp mực cao khiến cho các vòi phun khó đầy giọt mực ra khỏi vòi phun hơn.

Hình 3.8 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun của hỗn hợp mực

CrE9: DEGBE = 50:50, độ nhớt 14,20 cP e Quan sát giọt mực cua hỗn hợp mực C:zEo:DEGBE = 55:45

Hình 3.9 Hình anh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun của hỗn hợp mực

C¡;Eo:DEGBE = 55:45, độ nhớt 16,47 cP

Hỗn hợp mực C¡zEs:DEGBE = 55:45 có độ nhớt 16,47 cP Kết quả quan sát giọt mực cho thấy các giọt mực rơi không đều (Hình 3.9), tương tự như với hỗn hợp mực Ci2E9: DEGBE = 50:50, độ nhớt 14,20 cP kể trên Ngoài ra, còn có một vài giọt mực rơi nghiêng khiến cho khoảng cách giữa các giọt mực càng khác nhau. e Quan sát giọt mực cua hỗn hợp mực CzEo:DEGBE = 60:40

Hỗn hợp mực C¡zEs:DEGBE = 60:40 có độ nhớt vào khoảng 18,30 cP Kết qua quan sát giọt mực cho thấy các giọt mực rơi không đều, khoảng cách giữa các giọt mực khá xa (Hình 3.10) Các giọt mực rơi chậm hơn cũng có kích thước nhỏ hơn so voi các giọt mực còn lại.

Hình 3.10 Hình anh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun cua hỗn hop muc

CrE9-DEGBE = 60:40, độ nhớt 18,30 cP

Kết luận: Hỗn hợp mực CEs và DEGBE với ty lệ C¡2Eo từ 35-45% cho độ nhớt nằm trong khoảng 10,71-13,04 cP Theo kết quả quan sát giọt mực, các hỗn hợp mực năm trong khoảng độ nhớt này không có hiện tượng giọt vệ tinh, đồng thời các giọt mực phun đồng đều Các hỗn hợp mực có độ nhớt thấp hơn sẽ xuất hiện giọt VỆ tỉnh trong quá trình giọt mực rời khỏi vòi phun Còn các hỗn hợp mực có độ nhớt cao

78 hơn sẽ dẫn đến việc khó đây giọt mực ra khỏi vòi phun, các giọt mực không đồng đều về vận tốc, kích thước Kết quả ké trên tương đồng với các nghiên cứu về điều kiện phun mực của thiết bị in phun áp điện Thật vậy, Hình 3.11 dưới đây cho thấy vùng chat lỏng có thé in được (printable fluid) được giới han trong 1 vùng tứ giác và khi các thông số vật lý nằm ngoài vùng tứ giác này, các hiện tượng giọt vệ tinh (satellite droplets), in phun tóe mực (splashing), chất lỏng quá nhớt (too viscous) hoặc không tạo được giọt mực sẽ xảy ra Trong các nghiên cứu, độ nhớt và sức căng bề mặt của mực được biéu diễn thông qua số Reynolds và số Weber [126,175,176] Số Reynolds biểu thị độ lớn tương đối giữa lực quán tinh (inertial force) và lực ma sát nhớt (viscous force) của dòng chảy Số Weber biểu thị độ lớn tương đối giữa lực quán tinh (inertial force) và sức căng bê mặt (surface tension) của dòng chảy.

10 rwwewes ằ Khụng đủ năng lượng hỡnh thành giọt

Insufficient energy for drop formation

Hình 3.11 Giới han vùng mực có thể in theo số Reynolds va Weber [126]

Chế tạo rãnh chắn nước trên dé giấy bằng công nghệ in phun áp điện sử dụng thiết bị CeraPrinter X-serie 80 "

3.2.1 Kết quả khảo sát khoảng điện thế áp vào dạng sóng tiêu chuẩn của máy in

Thiết bị in phun áp điện sử dụng dạng sóng bao gồm bốn pha (Mục 2.2.1), trong đó điện thế pha một (V1) và pha hai (V2) là hai pha quyết định lượng thé tích chat lỏng và sự hình thành giọt mực trong quá trình phun Điện thế tại pha một quyết định lượng thể tích chất lỏng phù hợp chứa trong buồng bơm còn điện thế tại pha hai quyết định lực đây thích hợp cho quá trình in phun Nhiệt độ đầu in được giữ tại nhiệt độ phòng (khoảng 25°C).

3.2.1.1 Kết quả khảo sát giá trị điện thé pha một (V))

Bảng 3.3 dưới đây tóm tắt kết qua quan sát giọt mực DEGBE/C:zEs ứng với từng mức điện thế pha một khác nhau Điện thế pha một được khảo sát từ -5V cho đến -20V, điện thế pha hai được giữ cố định tại 50V Giọt mực được quan sát từ lúc rời khỏi vòi phun cho đến lúc hình thành giọt mực bằng camera tích hợp trong thiết bi in phun CeraPrinter X-serie.

Bảng 3.3 Kết quả quan sát giọt mực cua hỗn hợp mực DEGBE/C¡›Eo theo các giá trị điện thé pha một khác nhau Điện thế pha một (V) Kết quả quan sat giot mực

-5V Không có hiện tượng giọt vệ tinh, tuy nhiên đã xuât hiện hiện tượng các giọt mực rơi không đêu

-10V Phun tốt, không có hiện tượng giọt vệ tinh -15V Giot muc phan tach thanh nhiéu giot vé tinh

80 Điện thế pha một (V) Kết quả quan sát giọt mực

-20V Giọt mực phân tách thành nhiều giọt vệ tinh

Kết quả cho thấy tại sóng có điện thế pha một là -5V, mặc dù tia mực sau khi được phun ra khỏi vòi phun đã nhanh chóng tạo tụ lại kết thành giọt mực nhưng lại xuất hiện hiện tượng giọt mực rơi không đều giữa các vòi phun Sóng có điện thế pha một là -10V có kết quả quan sát giọt mực cho thấy tia mực phun ra tốt, không có hiện tượng giọt vệ tinh trong quá trình in phun Day có thé là khoảng sóng thích hợp cho hỗn hợp mực in DEGBE/CzEs Trong hai trường hợp sóng có điện thé pha một là - 15V và -20V, sau khi mực được phun ra thì giọt mực bị phân tách thành nhiều giọt vệ tinh Như vậy, có thé tạm kết luận răng gid trị điện thé pha một (V¡) đạt -10V cho kết quả in phun tốt Kết quả quan sát giọt mực cho từng khoảng giới hạn sóng được trình bày chỉ tiết đưới đây. e Quan sát giọt mực của dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị = -5V và V2 = 50V

Hình 3.12 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun với dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị = -5V và V2 = 50V

Tại dạng sóng tiêu chuẩn có giá trị điện thế Vị = -5V và V2 = 50V, các vòi phun đều cho ra giọt mực đẹp, không có giọt vệ tinh (Hình 3.12) Tuy nhiên, kết quả cho thấy đã xuất hiện một số vòi phun cho giọt mực rơi chậm hơn so với các vòi phun khác Day là dau hiệu cho thay lượng mực chứa trong buồng bơm không đủ nên một

81 sô giọt mực được phun ra với khôi lượng nhỏ hơn so với các giọt mực khác Điêu này dẫn đến tốc độ rơi khác nhau giữa các giọt mực. e Quan sát giọt mực của dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị = -I0V và V2 = 50V

Kết quả quan sát giọt mực của dạng sóng tiêu chuẩn có điện thế Vị = -10V và V› = 50V cho thấy các giọt mực rơi khá đồng đều và không có giọt vệ tinh (Hình 3.13) Kết qua này cho thấy hỗn hợp mực in tương thích với dạng sóng có điện thé

Vị =-10V va V2 = 50V, chất lượng giọt mực in phun tương ứng rất tốt.

Hình 3.13 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun với dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị = -10V và V2 = 50V e Quan sát giọt mực của dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị =-15V và V2 = 50V

Hình 3.14 là hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun của hỗn hợp mực

DEGBE/C zEo, dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị = -15V và V2 = 50V Vì lượng thé tích mực chứa trong buồng đã đủ nhiều nên khi được phun ra các giọt mực mang theo đuôi dai và nhanh chóng bị tách ra thành nhiều giọt vệ tinh trong quá trình phun.

Hình 3.14 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun với dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị = -15V và V2 = 50V e Quan sát giọt mực của dạng sóng tiêu chuẩn có điện thế Vị = -20V và V2 = 50V

Hình 3.15 Hình ảnh quan sát giọt mực ra khỏi vòi phun với dạng sóng tiêu chuẩn có điện thé Vị = -20V va V2 = 50V

Két qua quan sát giọt mực (Hình 3.15) cho thay giot muc bi phan tach ra thanh giọt mực chính va rat nhiều giọt vệ tinh, nguyên nhân do buồng bom đã được chứa rất nhiều chat lỏng Các giọt vệ tinh này sẽ cho chất lượng đường in không tốt, vì vậy hỗn hợp mực này không thỏa yêu cầu chất lượng mực in cần thiết.

Kết luận: Theo kết quả quan sát giọt mực, dang sóng tiêu chuẩn có điện thé pha một là - 10V không có hiện tượng giọt vệ tinh, đồng thời các giọt mực phun đồng đều. Các giá trị pha một thấp hơn gây nên hiện tượng giọt vệ tỉnh trong quá trình giọt mực rời khỏi vòi phun Vì vậy, dạng sóng tiêu chuẩn có giá trị điện thế pha một tại -10V được lựa chọn cho khảo sát tiếp theo.

3.2.1.2 Kết quả khảo sát giá trị điện thé pha hai (V2)

Sau khi đã tìm ra điện thế thích hợp tại pha một là -10V, giá trị điện thế này được giữ không đổi trong quá trình tiếp tục khảo sát điện thế tại pha hai Theo mô hình dạng sóng tiêu chuẩn, pha hai có nhiệm vụ nén buồng bơm và tạo ra áp suất đây giọt mực ra ngoài hình thành giọt mực Ứng với mỗi loại mực khác nhau sẽ cần một điện thế tai pha hai áp vào đầu in để phun ra được giọt mực có chất lượng tốt nhất. Như vậy, trong chuỗi thí nghiệm khảo sát này, thông số điện thế tại pha hai áp vào đầu in được khảo sát với mong muốn tìm ra điều kiện phù hợp của dạng sóng tiêu chuẩn với mực in DEGBE/C¡zEs Giá trị điện thé pha hai sẽ được thay đôi từ điện thé cao nhất cho phép của thiết bị (50V) cho đến 35V Bảng 3.4 trình bày tóm tắt kết quả quan sát giọt mực của hỗn hợp mực tạo bởi Ci2E9 và DEGBE ứng với từng điện thế pha hai khác nhau.

Bảng 3.4 Kết quả quan sát giot mực cua hỗn hợp mực DEGBE/C1aEo theo các giá trị điện thế pha hai khác nhau Điện thế pha hai (V) Két quả quan sát giọt mực

Phun tốt, không có hiện tượng giọt vệ tinh (kết quả này tương ứng

50V với kêt qua quan sát giọt mực của dạng sóng có điện thê Vị = -10V và V› = 50V đã trình bày trong thí nghiệm mục 3.2.1.1)

Không có hiện tượng giọt vệ tính, tuy nhiên đã xuất hiện hiện tượng

45V các giọt mực rơi không đều và một số vòi phun bị tắc nghẽn

40V Không có hiện tượng giọt vệ tinh, tuy nhiên đã xuất hiện hiện tượng các giọt mực rơi không đêu và một sô vòi phun bi tac nghẽn

35V Nhiều vòi phun bị tắc nghẽn

Kết quả cho thấy trong hai trường hợp ứng với Va là 45V và 40V, hình ảnh giọt mực phun ra khá tương đồng Tia mực sau khi được phun ra khỏi vòi phun đã nhanh chóng tụ lại kết thành giọt mực Tuy nhiên, trong quá trình giọt mực rơi lại xuất hiện hiện tượng giọt mực rơi không đều giữa các vòi phun và một số vòi phun bị tắc nghẽn trong quá trình phun Có thé lý giải là do lượng điện thé không đủ lớn dé tạo đủ áp suất đây toàn bộ lượng mực ra ngoài nên một sỐ voi không nhận đủ lực đây giot mực và làm tắc nghẽn vòi phun Với điện thế pha hai là 35V, điện thế lúc này khá nhỏ nên số lượng vòi phun bị tắc nghẽn nhiều hơn.

Thiết kế cảm biến sinh học sử dụng kênh dẫn vi long trên dé giấy

Kết quả từ Hình 3.43 cho thấy kênh 2 mm là đủ rộng để đảm bào nước chảy trong các kênh này có vận tốc không quá chậm khi chảy trên quãng đường ngắn Thiết kế cảm biến sinh học nên có kích thước nhỏ hơn mức 6 em và bao gồm nhiều kênh dẫn nhỏ 2 mm Nguyên tắc về kích thước này sẽ được sử dụng trong việc thiết kế cảm biên sinh học ở phân sau.

Kết luận: Nhìn chung, kỹ thuật in phun điện thủy động cho phép tạo ra các chỉ tiết rãnh chắn nước nhỏ hơn so với kỹ thuật in phun áp điện Kỹ thuật in này được sử dung dé chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy trong Luận án này Các đường rãnh chắn được sử dụng dé bao quanh các kênh dẫn nhỏ 2 mm của cảm biến sinh học.

3.4 Thiết kế cảm biến sinh học sử dụng kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy

3.4.1 Lựa chọn phương pháp chế tao

Trong Mục 3.2 và Mục 3.3, đường rãnh chắn ky nước đã được khảo sát theo hai kỹ thuật in phun khác nhau: in phun áp điện và in phun điện thủy động Nhìn chung, quy trình in phun điện thủy động giúp tạo ra các rãnh chắn ky nước nhỏ và gon hơn so với quy trình in phun áp điện Tuy nhiên, thiết bị in phun điện thủy động cần sử dụng các hệ thống khuếch đại tạo điện thế cao vì vậy thiết bị có chỉ phí cao hơn, vận hành phức tạp hơn so với quy trình in phun áp điện Trong khi đó, thiết bị in phun áp điện có thé in cùng lúc nhiều vòi phun giúp tốc độ in nhanh hơn Nhu vậy, có thé thay rằng thiết bị in phun áp điện thích hợp cho các quy trình sản xuất, chế tạo hàng loạt vì có thé in phun nhiều đầu phun cùng lúc và chi phí thiết bị thấp hơn Thiết bi in phun điện thủy động cho chất lượng In tốt hơn và có thể tự chế tạo vòi phun sẽ thích hợp hơn cho việc chế tạo các nguyên mẫu (prototype) ban đầu tại phòng thí nghiệm Trong khuôn khổ Luận án này, các rãnh chắn có độ rộng vào khoảng 200 um được chế tao bang quy trình in phun điện thuỷ động sử dụng vòi phun có kích thước đường kính trong 35-40 um và tốc độ bàn di chuyên 0,05 mm/s Sau khi đã có

111 được quy trình chế tạo rãnh chan ky nước bằng công nghệ in phun điện thủy động, bước tiếp theo cần làm là đề xuất thiết kế cho cảm biến sinh học vi lỏng có tính năng định lượng hCG (Human Chorionic Gonadotropin) bằng quy trình sandwich ELISA

3.4.2 Thiết kế 1 của cảm biến sinh học vi lỏng

Thiết kế 1 của cảm biến sinh học vi lỏng được đề xuất trong Hình 3.44 dưới đây Thiết kế cảm biến có kích thước 44,0 mm x 8,0 mm, được chia làm ba phần chính: phan chân (input leg) dẫn nước vào thiết bi, phần giữa bao gồm bốn kênh dẫn nhỏ và phần cuối bao gồm vùng thử nghiệm (test zone) và vùng kiểm soát (control zone) Trong phần giữa thiết bị, bốn kênh dẫn nhỏ có số lượng thanh chan ngang khác nhau, vì vậy có tốc độ dòng chảy khác nhau Từ trái qua, các kênh lần lượt có số thanh chắn ngang là: 3, 0, 7, 3; tức là kênh dẫn thứ hai từ trái qua cho thời gian chảy ngắn nhất, rồi đến hai kênh dẫn (kênh một và kênh bốn) và kênh dẫn có thời gian chảy chậm nhất là kênh thứ ba từ trái qua.

Phần giữa 44.0 mm thiết bị

Qving kiém soat Ê vung thử nghiệm

Phan chân @ Mau hCG dẫn nước vào Kháng thế 2 © Cơ chat

Hình 3.44 Thiết kế 1 của cảm biến sinh học trên dé giấy

Trong phần cuối của thiết bị, kháng thê bắt và kháng thê đa dòng IgG được cô định tại vùng thử nghiệm và vùng kiểm soát Sau bước cô định, cảm biến được ngâm vào dung dịch khoá đê khoá các gôc liên kêt tự do còn trông, tiêp đên ngâm cảm biên

112 vào dung dịch rửa dé làm sạch bề mặt linh kiện Kháng thé phát hiện hay còn gọi là kháng thé thứ hai sẽ được nhỏ lên các kênh một và kênh bốn (từ trái sang), cơ chất sẽ được nhỏ lên kênh thứ ba (từ trái sang) Các chất này sẽ không hình thành liên kết cố định với dé vi các gốc liên kết tự do của dé đã bị khoá trong bước ngâm vào dung dịch khoá Khi người dùng sử dụng cảm biến, mẫu sẽ được nhỏ lên kênh thứ hai (từ trái sang) và ngâm phan chân của cảm biến vào nước Nước sẽ lần lượt chảy dé mang hóa chất tới vị trí thử nghiệm.

Hình 3.45 minh họa nguyên tắc hoạt động thiết kế 1 của cảm biến sinh học trên dé giấy Nguyên tắc hoạt động của cảm biến sẽ dựa trên quy trình sandwich ELISA, trong đó kháng nguyên hCG bị bắt giữ bởi hai kháng thể và cơ chất theo dòng chảy đi lên vùng thử nghiệm tạo ra tín hiệu màu.

1*Ab + hCG + 2"4Ab + cơ chất

@ Mẫu hCG © Kháng thể 2 © Cơ chất

Hình 3.45 Minh họa nguyên tắc hoạt động thiết kế 1 của cảm biến sinh học trên dé giấy định lượng hCG

113 Đầu tiên, khi nhúng phần chân của cảm biến vào nước (trong thí nghiệm này sẽ dùng nước khử ion), nước sẽ chảy theo các kênh nhỏ ở phần giữa của cảm biến (Bước

1 trong Hình 3.45) Vì không có thanh chắn ngang tại kênh thứ hai (từ trái sang) nên nước sẽ chảy theo kênh này nhanh nhất (Bước 2 trong Hình 3.45) Nhờ vậy, hCG sẽ được dẫn lên vị trí vùng thử nghiệm đầu tiên và bị giữ lại bởi kháng thé thứ nhất (Bước 3 và Bước 4 trong Hình 3.45) Tiếp theo, kháng thê phát hiện sẽ được dẫn lên vùng thử nghiệm (Bước 5 trong Hình 3.45) Cuối cùng, cơ chất theo dòng chảy đến vùng thử nghiệm và tạo ra tín hiệu màu (Bước 6 trong Hình 3.45) Các chất kháng thé phát hiện không bị giữ lại tại vùng thử nghiệm sẽ đến vùng kiểm soát và tạo tín hiệu màu.

3.4.3 Thiết ké 2 của cảm biến sinh học vi lồng (dạng thu nhỏ)

Thiết kế 2 của cảm biến sinh học (Hình 3.46) được đề xuất với ý tưởng chính là thu nhỏ cảm biến sinh học lại, đồng thời giảm số lượng kênh dẫn phụ nhằm giúp cho thiết kế dé in ấn hơn, kích thước nhỏ hơn và dễ tích hợp trong các hệ thống cam tay mini hơn Kích thước của thiết kế 2 thu nhỏ chỉ còn 33,4 mm x 4,0 mm và phần giữa của cảm biến chỉ còn hai kênh dẫn nhỏ Trong thiết kế này, phần cuối của thiết bị bao gồm vùng kiểm soát (control zone), vùng thử nghiệm (test zone) và khu vực mau thử Vùng kiểm soát và vùng thử nghiệm sẽ có kháng thé đa dòng IgG và kháng thé bắt được cố định tại đây Sau đó cảm biến trải qua bước ngâm trong dung dịch khoá và dung dịch rửa tương tự như cảm biến 1 Mẫu thử chỉ được nhỏ lên trước khi ngâm thiệt bị vào nước.

Phần giữa của thiết bị có 2 kênh nhỏ chứa kháng thê phát hiện ở kênh chảy nhanh, ít thanh chắn ngang (kênh bên trái) và cơ chất ở kênh chảy chậm hơn (kênh bên phải) Hai chất này được nhỏ lên cảm biến sau bước ngâm cảm biến vào dung dịch khoá và dung dịch rửa Tóm lại, khi cảm biến đến tay người dùng, trên cảm biến sẽ gồm có: kháng thé da dòng IgG và kháng thé bắt giữ được cé định tại vùng kiểm soát và vùng thử nghiệm; kháng thé phát hiện và cơ chất không cé định tai hai kênh dẫn nhỏ (không cố định tức là hai chất này có thé bị cuốn theo dòng chảy đi đến vị

114 trí khác) Người dùng chỉ cân nhỏ mâu thử lên vi trí định sẵn; ngâm cảm biên vào nước sạch và chờ tín hiệu màu tại vùng thử nghiệm.

Phần giữa 33.4 mm thiết bị

[đc tại vùng kiém soat

()1 Ab tai vùng thử nghiệm | Phần chân ®Mẫu hCG dẫn nước vào

Hình 3.46 Thiết kế 2 của cảm biến sinh học trên dé gidy

Hình 3.47 minh họa cho nguyên tắc hoạt động thiết kế 2 của cảm biến sinh học trên dé giấy Thiết kế này có nguyên tắc hoạt động gần giống với thiết kế 1 kể trên. Nước theo các kênh dẫn đi lên đồng thời dẫn kháng thé phát hiện (2! Ab) lên tương tác với mẫu thử (Bước 1, bước 2 và bước 3 trong Hình 3.47) Mẫu thử sau đó lại được dẫn lên khu vực vùng thử nghiệm (Bước 4 trong Hình 3.47) và tại đây thì kháng nguyên bị kháng thé 1 giữ lại Trong bước cuối cùng (Bước 5 trong Hình 3.47), cơ chất di chuyền lên vùng thử nghiệm và tạo ra tín hiệu màu. Ỗ IgG tại vùng kiểm soát

1*t Ab tại vùng thử nghiệm

@Co chat bd hCG + 2" Ab

1% Ab + hCG + 2TM Ab 1 Ab + hCG + 2" Ab + cơ chất

Hình 3.47 Minh họa nguyên tắc hoạt động thiết kế 2 của cảm biến sinh học trên dé giấy định lượng hCG 3.5 Đánh giá tính năng của cảm biến sinh học trên dé giấy

Sau khi có thiết kế cảm biến sinh học, quy trình in phun điện thủy động được sử dung dé tạo các rãnh chắn ky nước của thiết kế Tiếp đến, quy trình sinh học được tiến hành dé có định các chất kháng thé thứ nhất (1*' Ab) và IgG lên vị trí vùng thử nghiệm va vùng kiêm soát của cảm biến Cuối cùng, kháng thé thứ hai (2"d Ab) và cơ chat được nhỏ lên mẫu cảm biến sau khi đã xử lý mẫu cảm biến bang dung dịch khóa và dung dịch rửa Quy trình thực hiện các bước này được nêu rõ trong Mục 2.3.5.

3.5.1 Đánh giá tinh năng của cam biến sinh học trên dé giấy chế tạo theo thiết kế 1

Hình 3.48 Tin hiệu màu của cảm biến sinh học trên dé giấy chế tạo theo thiết ké 1 ứng với các mức nông độ hCG khác nhau

Nội dung nghiên cứu đã thực hiện . css5ss=secseseeseeerseese 125 B Kết quả đạt được - Những điểm mới trong Luận án

- Luận án đã xây dựng quy trình phối trộn mực in hữu cơ có khả năng hòa tan dé giấy Nitrocellulose (NC) Khi mực in phản ứng với dé giấy NC thì đường in sẽ bị ăn mòn lõm xuống, trở thành rãnh chan ky nước Mực in dùng trong Luận án này được phối trộn từ các chat Glycol ether, mà cụ thé là Diethylene glycol monobutyl ether (DEGBE) và Nonaethylene glycolmonododecyl ether (C¡2Eo).

- Luận án cũng đã tiễn hành khảo sát các thông số in phun, từ đó tìm ra thông số in phun thích hợp dé tạo thành rãnh chắn ky nước vừa có khả năng chống thấm nước tốt vừa có độ rộng nhỏ nhất có thể Thu nhỏ kích thước chỉ tiết là xu hướng nghiên cứu chung của các nhà khoa học hiện nay, vì việc này g1úp thu nhỏ kích thước cam biến sinh học Hai kỹ thuật in phun là in phun áp điện và in phun điện thủy động đã được nghiên cứu, khảo sát trong Luận án nhằm tìm ra phương pháp chế tạo thích hợp nhất.

- Cảm biến sinh học được thiết kế dé có thé dùng cho quy trình xét nghiệm miễn dich hap thụ liên kết với enzyme (ELISA) dé định lượng nồng độ ACG Kết quả thu được là các tín hiệu màu ứng với các mức nồng độ hCG khác nhau Dựa trên việc đo đạc cường độ tín hiệu màu, đường chuẩn cường độ màu ứng với nồng độ hCG được thiết lập Như vậy, nội dung nghiên cứu trong Luận án là sự kết hợp giữa công nghệ in phun thuộc lĩnh vực khoa học - công nghệ vat liệu và quy trình xét nghiệm ELISA thuộc lĩnh vực sinh hoc Luận án đã bắt đầu từ những thí nghiệm phối trộn mực in hữu cơ, tiếp đến là những thí nghiệm tối wu thông số quy trình in phun và cuối cùng là những thí nghiệm nhằm đánh giá tính năng của cảm biến sinh học được chế tạo.

B Kết quả đạt được - Những điểm mới trong Luận án

- Trong Luận án này, NCS đã thành công trong việc phối trộn mực in hữu cơ có khả năng hòa tan dé giấy Nitrocellulose dựa trên DEGBE và C¡2Es Kết quả ghi nhận

125 được cho thấy hỗn hợp mực có độ nhớt 10-13 cP cho kết quả in phun khá tốt, giọt mực rơi đồng đều và không có hiện tượng giọt vệ tinh Hỗn hợp mực in tạo thành có màu trong suốt, có khả năng duy tri thông số độ nhớt và sức căng bé mặt trong khoảng thời gian đài (hơn 6 tháng), bảo đảm tính ứng dụng thực tế và khả năng thương mại hóa của sản phâm sau này.

Kết quả quan trọng thứ hai và cũng là điểm mới của Luận án là khảo sát các thông số công nghệ cho thiết bị in phun áp điện Ceraprinter X-serie nhằm tìm ra thông số công nghệ thích hợp thu được rãnh chắn ky nước nhỏ nhất có thể Kết quả thu được là các rãnh chắn có độ rộng vào khoảng 300 um và góc nghiêng biên dạng là khoảng 50°, phù hợp cho kênh dẫn vi long Công nghệ chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên thiết bị in phun áp điện Ceraprinter X-serie rất phù hợp khi cần chế tạo hàng loạt (Mass production). Điểm mới thứ ba là kết quả thử nghiệm với thiét bị in phun điện thủy động PSJET- 300-V, cho thay rãnh chắn ky nước có thé được thu nhỏ xuống chi còn khoảng 200 um (khi sử dụng dau in có kích thước đường kính trong khoảng 35-40 pm, vận tốc bàn di chuyền là 0,05 mm/s) Kết quả cho thấy rằng kỹ thuật in phun điện thủy động đã giúp tia mực phun xuống dé giấy nhanh chóng di sâu vào bên trong dé giấy Phương pháp in phun điện thủy động rất phù hợp đề chế tạo các Nguyên mẫu

(Prototype) riêng lẻ như trong Luận án này. Điểm mới thứ tư là tìm được độ rộng kênh dẫn tối wu: bang các thử nghiệm với kênh dẫn có độ rộng khác nhau, kết quả ghi nhận độ rộng kênh dẫn khoảng 2 mm rất thích hợp làm kênh dẫn nhỏ trong cảm biến sinh học.

Với kết quả nhận được từ phương pháp in phun điện thủy động, hai thiết kế cảm biến sinh học được đề xuất dé chế tao Prototype cho Luận án; cả hai thiết kế đều sử dụng các kênh dẫn nhỏ rộng 2 mm (bao gồm rãnh chắn ky nước 200 um) Thiết kế 1 sử dụng bốn kênh dẫn nhỏ (2 mm), có độ rộng tổng thé là 8 mm; thiết kế 2 được thiết kế theo nguyên tắc thu nhỏ linh kiện chỉ sử dụng hai kênh dẫn nhỏ và có kích thước độ rộng là 4 mm.

- Điểm mới cuối cùng của Luận án là kết quả thử nghiệm với các Prototype được chế tạo, cho thay các cảm biến sinh học vi lỏng trên dé giấy có thể dùng cho quy trình sandwich ELISA, từ đó định lượng được mục tiêu sinh học hCG Thiết kế 1 thích hợp cho việc định lượng hCG ở nông độ thấp (5-100 ng/mL); thiết kế 2 thích hợp cho việc định lượng hCG trong dải do lớn (5-10000 ng/mL).

C Hướng nghiên cứu tiếp theo

- Kỹ thuật sandwich ELISA là một quy trình xét nghiệm hóa sinh được sử dụng nham phát hiện nhiều mục tiêu sinh học khác nhau Kết quả thử nghiệm trong Luận án cho thấy cảm biến sinh học trên đề giấy có thể dùng cho quy trình sandwich ELISA này và có khả năng định lượng khá tốt Điều này cho thấy rằng cảm biến sinh học trên dé giấy này có thé được mở rộng dé ứng dụng cho các mục tiêu sinh học khác, chân đoán các loại bệnh khác Hay nói cách khác, sản phẩm Luận án có thé được sử dụng cho các xét nghiệm hóa sinh lâm sàng, nhằm giúp phát hiện sớm các bất thường trong cơ thé Trong tương lai, người dùng tại nhà hoặc các cơ sở y tế vùng nông thôn, vùng sâu - vùng xa có thê sử dụng loại cảm biến này đề kiểm tra, đánh giá điều kiện sức khỏe Người dùng chỉ cần sử dụng camera trên điện thoại ghi nhận hình ảnh tín hiệu màu thu được và gửi đến máy chủ (Server) Tại máy chủ, các thuật toán sẽ giúp xác định cường độ tín hiệu màu và trả lại kết quả cho người dùng Ứng dụng này sẽ giúp người dùng phát hiện sớm các triệu chứng bất thường của cơ thể, nhanh chóng điều trị sớm đồng thời giúp giảm tải cho các bệnh viện, cơ sở y tế tuyến trung ương.

- Một hướng nghiên cứu khác có thé mở rộng thêm từ kết quả của Luận án là ứng dụng quy trình in phun ăn mòn dé giấy dé chế tạo các linh kiện vi long (microfluidic device) khác sử dụng dé giấy như van vi lỏng, linh kiện điều khiển dòng chất lỏng, cảm biến hóa học định lượng các chất hóa học, nguyên tố và các kênh dẫn mẫu cho các thiết bị phân tích phức tạp.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH LIÊN

QUAN DEN LUẬN ÁN TIÊN SĨ

Các bài báo khoa học đã được công bố trong thời gian thực hiện Luận án bao gồm 04 bài báo trên các tạp chí quốc tế thuộc hệ thống ISI (SCIE) như dưới đây.

1 Nguyen Ngan Le, Kim Khanh Huynh, Thi Cam Hue Phan, Thi My Dung Dang, and Mau Chien Dang (2017) Fabrication of 25um-filter microfluidic chip on silicon substrate, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and

(được chấp thuận đăng vào năm 2016, lúc đó tạp chi ANSN là tap chí SCIE với

2 Ngan Nguyen Le, Hue Cam Thi Phan, Huong Kim Tran, Dung My Thi Dang, and Chien Mau Dang (2018) New approach for paper-based microchannel fabrication by inkjet printing technology, International Journal of Nanotechnology, 15 (11-12), 998-1009 (DOT: 10.1504/UNT.2018.099937).

3 Ngan Nguyen Le, Hue Cam Thi Phan, Huong Kim Tran, Dung My Thi Dang, and Chien Mau Dang (2020) Fabrication of paper-based microfluidic channels by electrohydrodynamic inkjet printing technology for analytical biochemistry applications, International Journal of Nanotechnology, 17 (7-8-9-10), 673-688 (DOI: 10.1504/IJINT.2020.111333).

4 Ngan Nguyen Le, Hue Cam Thi Phan, Dung My Thi Dang, and Chien Mau Dang

(2021) Fabrication of miniaturized microfluidic paper-based analytical devices for sandwich enzyme-linked immunosorbent assays using inkjet printing, Applied Biochemistry and Microbiology, 57 (2), 257-261 (DOI: 10.1134/ S$000368382 1020071).

Leslie Yeo et al (2011) Microfluidic devices for bioapplications, Small, 7, 12-48 (DOI: 10.1002/smll.201000946).

Jin- Wen Shangguan et al (2017) Microfluidic PDMS on paper (POP) devices, Lab on a Chip, 17, 120-127 (DOI: 10.1039/c6lc01250g).

Carol Olmos et al (2019) Epoxy resin mold and PDMS microfluidic devices through photopolymer flexographic printing plate, Sensors and Actuators B: Chemical, 288, 742-748 (DOI: 10.1016/j.snb.2019.03.062).

Shi-Bo Cheng et al (2019) Current techniques and future advance of microfluidic devices for circulating tumor cells, Trends in Analytical Chemistry, 117, 116-127 (DOI: 10.1016/j.trac.2019.06.018).

Seck Hoe Wong, Michael Ward, and Christopher Wharton (2004) Micro T- mixer as a rapid mixing micromixer, Sensors and Actuators B, 100, 359-379 (DOI: 10.1016/j.snb.2004.02.008).

Shaurya Prakash, Marie Pinti, and Bharat Bhushan (2012) Theory, fabrication and applications of microfluidic and nanofluidic biosensors, Philosophical Transactions of the Royal Society A, 370, 2269-2303 (DOI: 10.1098/ rsta.2011.0498).