NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI LƯU CHO KỸ THUẬT PCR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Hồng Thắm NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI LƯU CHO KỸ THUẬT PCR KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Hồng Thắm NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI LƯU CHO KỸ THUẬT PCR KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán hướng dẫn: TS Trần Đăng Khoa Cán đồng hướng dẫn: TS Nguyễn Thăng Long HÀ NỘI - 2011 Lời cảm ơn Bài báo cáo hoàn thành giảng dạy hướng dẫn trực tiếp TS Trần Đăng Khoa TS Nguyễn Thăng Long Với kính trọng lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy dẫn chu đáo, tận tình Thời gian em nghiên cứu thầy không nhiều giúp em có thêm kiến thức bổ ích, tư tiến hành công việc cách có hệ thống, có hiệu thực tế mà thầy mang lại cho em Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, giảng viên Khoa Vật lý Kỹ thuật & Công nghệ Nano Khoa khác trường tạo điều kiện cung cấp cho em kiến thức bản, tảng khoa học suốt bốn năm học qua Em gửi lời cảm ơn đến cán Viện Công nghệ Sinh học - Viện Khoa học Công Nghệ; phòng thí nghiệm Công nghệ Micro & Nano – Trường ĐH Công Nghệ (ĐHQGHN), em cảm ơn CN Nguyễn Thị Hòa CN Nguyễn Đức Diệp, anh chị làm việc công ty Cổ phần Điện tử dân dụng Hanel, người giúp đỡ nhiệt tình, góp ý ủng hộ em trình nghiên cứu Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người chỗ dựa tinh thần vững con, cổ vũ động viên Xin gửi tới người thân yêu bạn bè tình cảm thân thương nhất! Xin chân thành cảm ơn người! Tóm tắt nội dung Cùng với phát triển nhanh chóng Công nghệ nano việc nghiên cứu chế tạo lab-on-chip (phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp chip) ngày quan tâm nhà khoa học giới tính ứng dụng hiệu hệ thống Nội dung nghiên cứu khóa luận bước đầu tiếp cận việc chế tạo hệ thống vi lưu PCR cho việc phân tích DNA Để thực nghiên cứu này, tìm hiểu, thu thập thông tin kỹ thuật PCR công nghệ vi lưu ứng dụng công nghệ lĩnh vực y sinh để chế tạo hệ vi lưu PCR dùng cho nhân DNA Sử dụng phần mềm COMSOL để mô kênh dẫn vi lưu, mô trình truyền nhiệt vật liệu tính toán thiết kế hệ thống vi lưu Dựa sở thông tin mô có chế tạo hệ thống vi lưu máy VersaLASER đặt phòng thí nghiệm, Trường ĐH Công Nghệ Tìm hiểu trình gia nhiệt cho buồng phản ứng PCR theo chế Peltier Lời cam đoan Tôi xin cam đoan khóa luận không chép tài liệu hay công trình người khác Tất lý thuyết tài liệu trích dẫn rõ ràng trang tài liệu tham khảo khóa luận Mục lục Mở đầu Công nghệ vi lưu ứng dụng nhiều ngành: Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo Công nghệ sinh học Công nghệ bước trở thành công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo vi hệ thống sử dụng vi thể tích chất lỏng, (còn biết đến với tên “phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp chip” lab-on-chip) Hệ thống vi lưu bao gồm hệ phức hợp bơm, khoang chứa, khoang trộn, van đóng mở có khả điều khiển Hệ thống sử dụng cho loạt ứng dụng dẫn thuốc, in ấn đặc biệt ứng dụng lĩnh vực sinh học phân tử phân tích enzyme, phân tích DNA proteomic Trong công nghệ sinh học có nhiều kỹ thuật phân tích DNA PCR, RT-PCR kỹ thuật nhân gene; có kỹ thuật lai gene Southern Blot, lai protein Wertern Blot… Tất kỹ thuật thực cần nhiều hóa chất thời gian, với bước tiến công nghệ chế tạo hệ vi lưu khó khăn giải Trong khuôn khổ khóa luận tập trung nghiên cứu hệ thống vi lưu ứng dụng việc phân tích DNA, cụ thể hệ thống vi lưu dùng cho phản ứng PCR Để tiếp cận với việc chế tạo ứng dụng thiết bị vi lưu công nghệ sinh học phân tử, dựa vào hiểu biết kỹ thuật PCR thông thường để thiết kế vi lưu PCR; tiến hành sử dụng phần mềm COMSOL để mô kênh dẫn vi lưu, mô trình truyền nhiệt vật liệu tính toán thiết kế hệ thống vi lưu Dựa sở thông tin mô có chế tạo hệ thống vi lưu máy VersaLASER đặt phòng thí nghiệm nhà G2 - Trường ĐH Công Nghệ (ĐHQGHN) Chương Tổng quan tài liệu 1.1 Công nghệ Nano Sinh học 1.1.1 Giới thiệu công nhệ nano sinh học Với phát triển nhanh chóng bao gồm nhiều lĩnh vực, công nghệ nano chưa có định nghĩa thống Theo quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), công nghệ nano công nghệ chế tạo cấu trúc, vật liệu, thiết bị hệ thống chức với kích thước đo nanometer (khoảng từ đến 100 nm) khai thác ứng dụng đặc tính độc đáo sản phẩm [15] Công nghệ nano hiểu ngành công nghệ dựa hiểu biết quy luật, tượng, tính chất cấu trúc vật lý có kích thước đặc trưng thang nano[2] Như vậy, khái niệm trọng tâm cấu trúc, vật liệu nano Cấu trúc nano hiểu hệ thống có kích cỡ thuộc thang nano gồm nguyên tử, phân tử đặt cho hệ thống thực chức định trước Trên sở phân loại hình học, cấu trúc nano hạt nano, sợi, dây ống nano, lớp nano hay màng mỏng nano Về chức năng, cấu trúc nano phân thành: (i) Vật liệu nano hạt nano; (ii) Linh kiện nano (nanodevices) cảm biến nano (nanosensor); (iii) Các máy nano phân tử protein có khả tự lắp ráp[2] Trên sở công nghệ nano công nghệ sinh học, nguyên tử hay phân tử thiết kế ghép lại với để tạo số loại linh kiện, cấu trúc nano chip sinh học có phạm vi ứng dụng rộng rãi khoa học sống, đặc biệt y – dược Có nhiều cách định nghĩa công nghệ sinh học nano (nanobiotechnology/ nano – biotechnology/ nanobiotech) Thuật ngữ sử dụng để mô tả vấn đề chung công nghệ nano sinh học Công nghệ nano sinh học xem ứng dụng công nghệ nano vào lĩnh vực nghiên cứu sinh học, tìm kiếm dược phẩm dẫn chuyển thuốc hướng đích, vật liệu nano mới, thiết bị chẩn đoán, trị liệu giúp loại bỏ thể ngoại lai khỏi thể, sửa chữa tế bào mô…[1] Trong tự nhiên luôn tồn trình vật thể cấu trúc mức độ nano Rất nhiều hệ thống sinh học virut, phức hợp protein màng… có cấu trúc nano công nghệ sinh học nano sinh trưởng tế bào mô đa chức thực vật động vật từ tế bào sinh vật 1.1.2 Phạm vi ứng dụng công nghệ nano sinh học Hình Phạm vi ứng dụng công nghệ nano sinh học [14] Trên giới, báo khoa học công nghệ nano xuất từ thập kỷ 90 Từ đến nay, số lượng hồ sơ đăng ký bảo hộ sáng chế lĩnh vực công nghệ nano tăng mạnh (từ 500 hồ sơ/ năm 1998 lên 1300 hồ sơ/ năm 2000) chứng tỏ tính hấp dẫn giá trị ứng dụng to lớn ngành khoa học mẻ Phạm vi ứng dụng công nghệ sinh học nano rộng, từ lĩnh vực y học, dược phẩm, sinh học, tới ngành công nghiệp thực phẩm nông nghiệp Trong lĩnh vực sinh học, công nghệ sinh học nano ứng dụng để nghiên cứu gene học (genomics), tin sinh học (bioinformatics), xác định trình tự gene, tìm kiếm sàng lọc nhanh dược phẩm… Đối với y học, lĩnh vực ứng dụng chủ yếu công nghệ sinh học nano, vấn đề bao gồm: Tái sinh mô (tissue regeneration), nuôi cấy sửa chữa quan (growth anh repair of organs), hệ thống dẫn chuyển hướng đích dược phẩm (drug – targeting anh delivery systems) Đặc biệt, hệ thống dẫn chuyển hướng đích dược phẩm sở công nghệ nano ngày quan tâm nghiên cứu đưa vào ứng dụng, thực tế hầu hết dược phẩm khong có tác dụng dược lý hữu ích mà có tác dụng phụ Các hệ thống bao gồm hạt nano (nanoparticles) vector điều khiển dược phẩm tác động trực tiếp tế bào đích không gây ảnh hưởng đến tế bào xung quanh [1] Trong lĩnh vực dược phẩm, công nghệ nano sinh học với ngành hóa học tạo phát triển mạnh mẽ mảng tìm kiếm dược phẩm Những triển vọng công nghệ dược phẩm mở với đời phát triển công nghệ DNA chip hay DNA microarray Chẳng hạn, trường hợp ưng thư thể tăng sinh tế bào lympho B, hầu hết bệnh nhân ban đầu phản ứng tốt phương pháp trị liệu chuẩn Sau đó, nửa trường hợp nhanh chóng chuyển sang tình trạng nguy kịch Một vài năm trước đây, nhà điều trị cách để phát bệnh nhân thuộc nhóm có nguy rủi ro cao để điều trị tích cực Gần đây, công nghệ sinh học cho phép nhà nghiên cứu phân biệt nhóm bệnh nhân chống lại bệnh tật thời gian dài ngắn dựa khác biệt tổng thể hoạt động liên quan đến hàng trăm gene tế bào khối u họ vào thời điểm chẩn đoán Thành tựu sở để đưa thử nghiệm chẩn đoán bệnh nhân có nguy cao Trong ngành công nghiệp thực phẩm nông nghiệp, công nghệ nano sinh học ứng dụng để bảo quản thực phẩm, chế tạo màng nhựa tổng hợp nano phân hủy sinh học, kỹ thuật siêu lọc.v.v… (Hình 1) 1.2 Lab on a chip, chip sinh học 1.2.1 Lab-on-chip Đây thuật ngữ nhiều phép phân tích xử lý mẫu DNA, tiến hành song song thực chip Về bản: chip DNA sensor DNA thu nhỏ, phân tích đồng thời nhiều thông số (massive parallel analysis) tức thời song song (Hình 2) tải không dừng lại ngừng (hoặc tiếp tục) cấp lượng mà tăng lên (hoặc giảm đi) chút sau thay đổi theo điều chỉnh điều khiển, nhiệt độ tải trì hai mức T + ∆t 1, T - ∆t2 Khi đó, độ trễ hệ thống (∆t1 + ∆t2) Trên thực tế, việc cung cấp hay ngừng cung cấp lượng cho thiết bị TE thực công tắc học relay, SSR (solid state relay) công tắc điện transistor, MOSFET Thông thường công tắc điện sử dụng nhiều lý sau: - Các thiết bị điều khiển thường đóng ngắt trực tiếp điều chỉnh dòng qua tải mà công tắc thường xảy tượng phóng điện, nên không bền đóng ngắt nhiều lần liên tục - Sử dụng công tắc điện, đóng ngắt với tần số cao đạt độ trễ 1oC, điều khó đạt công tắc - Các công tắc điện MOSFET tiêu thụ lượng hơn, độ sụt nhỏ hơn, nhỏ gọn Ưu điểm phương pháp đơn giản, thiết kế vài linh kiện bản, mạch không phức tạp Đối với ứng dụng không cần độ xác cao phương pháp hoàn toàn đáp ứng yêu cầu Phương pháp áp dụng hầu hết thiết bị gia đình 2.5.2.2 Điều khiển trạng thái ổn định – Steady state control (PID – proportionalintegral-derivative control) Bộ điều khiển trạng trái ổn định thiết kế để liên tục trì tải nhiệt độ yêu cầu với mức chênh lệch nhỏ xung quanh nhiệt độ đặt trước Khi trạng thái ổn định bị phá vỡ thay đổi đột ngột môi trường xung quanh điều khiển nhanh chóng đưa tải trở lại với trạng thái ổn định ta cung cấp đầy đủ khả làm nóng hay làm lạnh tải hệ thống Để đạt hiệu điều khiển trạng thái ổn định lượng cung cấp cho tải phải phụ thuộc vào yếu tố tồn tức thời điều môi trường xung quanh nhiệt độ tải Trên nghiên cứu chế gia nhiệt phương pháp điều khiển nhiệt độ, sở cho việc thiết kế chế tạo buồng phản ứng PCR Hiện nay, nhóm nghiên cứu bước triển khai việc chế tạo mâm nhiệt, hy vọng thời gian tới đưa mâm nhiệt vào thực nghiệm phản ứng PCR 30 Chương Kết thảo luận 3.1 Mô chất lỏng chảy kênh dẫn Kênh dẫn thiết kế dùng cho phản ứng nhân gene (PCR) với hai đầu vào (inlet) đầu (outlet) Hình 14 kết thiết kế hệ vi lưu đầu inlet thứ cho thành phần hóa chất dùng phản ứng PCR, đầu inlet thứ hai cho DNA Các thành phần trộn với thật nhanh thân kênh, vào buồng chứa – nơi thực phản ứng PCR Hình 14 Cấu trúc kênh dẫn Hình 15 Đặt áp suất ban đầu cho inlet outlet Hai đầu inlet bơm với điều kiện áp suất ban đầu 1500 Pa áp suất đầu (outlet) (hình 15) 31 Hình 16 Sản phẩm COMSOL Sau chạy xong, chương trình COMSOL cho kết hội tụ hình 16 Cột màu Slice bên trái thể vận tốc dòng chảy kênh, vận tốc nhỏ biểu màu xanh dương, vận tốc lớn biểu màu đỏ nâu Vận tốc dòng chảy kênh mô tả hình 16 Cột màu Boundary bên phải thể áp suất chất lỏng kênh, áp suất thấp biểu màu nâu đen, áp suất lớn thể màu vàng nhạt Ở đây, áp suất mô tả (hình 16) Hình chụp thời gian t = 0.1s Theo kết mô phỏng, hai đầu lối vào có vận tốc ban đầu 150mm/s (tương ứng với cột màu bên cạnh) Khi vào đến thân kênh dòng chảy tăng tốc đến 300 mm/s Nhưng nhận thấy có dòng chảy kênh đạt vận tốc lớn, phần chất lỏng tiếp xúc với kênh có vận tốc nhỏ có lực dính ướt Với việc sử dụng chương trình COMSOL, ta khảo sát trình vận chuyển chất lỏng kênh, kiểm soát đo vận tốc dòng chảy áp suất chất lỏng theo thời gian 3.2 Khảo sát công nghệ chế tạo kênh vi lưu vật liệu PMMA Các kênh dẫn chế tạo đế thủy tinh hữu (PMMA) có độ dày 200 µ m, kích thước 40x60 mm/kênh Kênh chế tạo cách hội tụ chùm tia quét lên mặt mẫu với tốc độ công suất khác 32 Các kênh dẫn thẳng chế tạo với mục đích khảo sát phụ thuộc độ rộng độ sâu kênh dẫn vào công suất phát laser số lần quét laser Trên mẫu chế tạo kênh thẳng với điều kiện thí nghiệm khác Tốc độ quét laser giữ cố định 200mm/s, công suất laser thay đổi khoảng từ 20 – 40W, số lần quét laser đường kênh thay đổi từ – lần Bảng Độ dầy độ sâu tương ứng kênh vi lưu thay đổi công suất laser Công suất Laser (W) 20 25 30 35 40 Độ sâu kênh ( µm ) 152 177 18 20 222 525 550 Độ rộng kênh ( µm ) 457 48 50 Các trộn chế tạo với mục đích khảo sát tượng chảy chất lỏng kênh Các trộn chế tạo với nhiều độ rộng độ sâu khác Hình dạng kích thước vi trộn thiết kế với mục đích khảo sát tượng xoáy, hòa trộn hai chất lỏng điểm kênh bị uốn cong Trong mẫu thử nghiệm, tiến hành chế tạo theo hình dạng vị trộn với đường kênh dẫn lượn song (hình 17) Hình 17 Kênh dẫn 200 µ m vẽ Corel 33 Hình 18 Kênh dẫn tạo hình trực tiếp lên đế thủy tinh hữu Sau hình dạng kênh tạo lên mẫu, kênh hoàn thiện cách ép nhiệt PMMA lên mặt mẫu (hình 18) Đầu vào kênh tạo hình để bắt đầu ống dẫn chất lỏng vào kênh Bộ ép nhiệt sử dụng có khả gia nhiệt đến nhiệt độ đến 500 0C Thiết bị có khả khống chế nhiệt độ xác theo thời gian định trước Các mẫu xử lý bề mặt học hóa học trước đưa ép nhiệt Nhiệt độ ép tính toán điều khiển thích hợp biểu đồ Lực ép sử dụng 1Kg/cm Hình 19 Bộ ép nhiệt 34 Hình 20 Biểu đồ nhiệt độ thời gian ép nhiệt Nửa (chứa đường dẫn chất lỏng vào kênh) nửa (chứa kênh dẫn) đặt xác vào đặt lên đế ép nhiệt Việc gia tăng nhiệt độ đột ngột làm vật liệu bị biến dạng nhanh, trình tăng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng 25oC đến nhiệt độ ép 220oC cần diễn chậm Hai thành phần ép chặt vào nhiệt độ 220oC khoảng từ 5-7 phút (hình 21) Tiến hành hạ nhiệt độ xuống từ từ, bước ủ nhiệt 180oC có tác dụng làm hai phần ổn định, tránh bị cong vênh ảnh hưởng đến chất lượng kênh dẫn Quá trình ép hoàn thành khoảng 20-30 phút (hình 20) Hình 21 Kênh có bề rộng 200 µ m sau ép nhiệt 35 3.3 Kết mô quan sát tốc độ truyền nhiệt COMSOL Chương trình COMSOL không dùng cho mô kênh dẫn hay dòng chảy, mà mô tốc độ truyền nhiệt loại vật liệu Hình mô thiết kế gồm vật liệu xếp sát theo thứ tự: Vàng, Nhôm, PMMA, Nhôm Trong đó, chọn bề mặt vàng nơi gia nhiệt Hình 22 Chọn model cho mô truyền nhiệt 36 a Vật liệu nhôm b Vật liệu vàng c Vật liệu PMMA Hình 23 Chọn vật liệu cho subdomain 37 Hình 24 Đặt điều kiện nhiệt ban đầu cho subdomain đốt nhiệt Chọn mặt đế vàng để đặt điều kiện nhiệt ban đầu cho hệ, Tban đầu = 373K Hình 25 Kết mô truyền nhiệt COMSOL 38 Kết hình 25 cho thấy nhiệt độ ban đầu mặc định cho vàng 100 oC, sau thời gian t = giây, vàng truyền nhiệt cho lại với mức nhiệt độ thấp dần thang màu bên cạnh Thang màu bên thể mức nhiệt độ từ 273K (màu xanh dương) đến 373K (màu đỏ nâu) Với cách mô này, ta mô nhiều vật liệu khác nhau, khảo sát nhiệt độ vật liệu theo thời gian Ta biết khuếch tán nhiệt loại vật liệu, ảnh hưởng nhiệt đến vùng để tính toán tìm kích thước hợp lý chế tạo đế đốt nhiệt cho buồng phản ứng PCR 3.4 Kết thực phản ứng PCR phòng thí nghiệm Phản ứng PCR diễn với kết hợp hóa chất đặc hiệu, DNA thay đổ nhiệt độ phù hợp với phản ứng nhân DNA Mục đích thực nghiệm PCR nghiên cứu nhằm tạo quy trình chuẩn kèm theo hóa chất vật liệu DNA chuẩn sử dụng cho hệ vi lưu PCR Kết phản ứng PCR theo kỹ thuật thông thường sử dụng để đối chiếu với kết hệ vi lưu PCR Chu trình nhiệt để tiến hành PCR nhân DNA bao gồm: 94 oC - phút, sau thực 30 chu kỳ bao gồm 94 oC – 45 giây, 52oC - 45 giây, 72oC - phút, kết thúc kéo dài mạch 72oC phút kết thúc phản ứng 4oC (hình 26) Hình 26 Sơ đồ chu trình nhiệt phản ứng PCR Kết PCR sau điện di 39 Dùng đệm TAE 1x để làm dung dịch chạy điện di gel agarose 0,8% Sau điện di, chụp gel tia UV, thu kết bên (Hình 27) Giếng 1: Marker (DNA thang chuẩn) Giếng 2: Sản phẩm PCR Giếng 3: Đối chứng âm 800bp Nhận xét: Giếng thứ có sản phẩm PCR có vạch sáng, đối chiếu với Marker cho thấy độ dài đoạn DNA khuếch đại (~800bp) Mẫu đối chứng âm vạch nào, chứng tỏ hóa chất sử dụng cho phản ứng PCR không bị nhiễm DNA Hình 27 Kết PCR 3.5 Tìm hiểu trình gia nhiệt cho buồng phản ứng PCR Hệ thống gồm thiết bị TE (được giới thiệu mục 2.5.1.) đặt song song, phía mặt đối diện áp nhôm phẳng dẫn nhiệt tạo thành buồng nhiệt, cảm biến nhiệt đặt (phản ứng PCR thực buồng nhiệt này), mặt áp nhôm lắp thêm quạt để tản nhiệt Do việc điều khiển thiết bị nhiệt điện lúc phức tạp, nên nhóm nghiên cứu thực việc điều khiển thiết bị, mặt phẳng cảm biến LM35 (Hình 28) áp trực tiếp vào nhôm phẳng thiết bị nhiệt điện điều khiển 40 Hình 28 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 41 Kết luận Khóa luận đạt số kết sau:  Dựa vào hiểu biết kỹ thuật PCR bước đầu xây dựng quy trình chế tạo hệ vi lưu PCR  Ứng dụng thành thạo phần mềm COMSOL tính toán mô vận chuyển chất lỏng hệ vi kênh  Chế tạo hệ kênh vi lưu vật liêu PMMA máy VersalLASER  Tìm hiểu trình gia nhiệt cho buồng phản ứng PCR theo chế Peltier Những định hướng nghiên cứu tiếp theo:  Tiếp tục khảo sát dòng chảy kênh dẫn kiểm soát tốc độ truyền nhiệt vật liệu chương trình COMSOL  Tiếp tục tiến hành phản ứng PCR gene khác với nhiệt dộ bắt cặp mồi khác nhau, nhằm đưa thang chuẩn nhiệt độ cho việc nghiên cứu chế tạo mâm nhiệt cho phản ứng PCR hệ thống vi lưu 42 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Lê Trần Bình, Nông Văn Hải, Lê Thị Thu Hiền, “Bài tổng quan Công nghệ sinh học Nano”, Viện Công Nghệ Sinh Học, Tạp chí Công nghệ Sinh học 2, 2004, tr 133-148 [2] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh, Công nghệ nano điều khiển đến nguyên tử, phân tử, NXB KHKT Hà Nội 2004 Tiếng Anh [3] Michael A Stroscio, Mitra Dutta, Biological Nanostrustures and Application of Nanostructures in Biology, University of Illionis at Chicago, Chicago, Illionis, 2004, pp 82-85 [4] Henrik Bruus, Theoretical Microfluidics, Oxford master series in condensed matter physics, 2007, pp 1-6, pp 197-211 [5] Jin-Woo Choi, Chong H Ahn, Gregory Beaucage, members of IEEE, “Disposable smart Lab on a chip for point-of-Care Clinical diagnostics”, Proceedings of the IEEE, Vol 92, No 1, 2004, pp 154-173 [6] Tuan Vo-Dinh, Guy Griffin, David L Stokes, Alan Wintenberg, “Multifunctional biochip for medical diagnostics and pathogen detection”, Sensor and Actuators B 90, 2003, pp 104-111 [7] S Kim, H A Stone, “Microfluidics: Basic issues, Applications, and Challenges”, AIChE Journal No 6, 2001, pp 1250-1254 [8] Nguyen, N T.; S T Wereley, Fundamentals and Application of Microfluidic, 2nd ed, Artech House, 2006, pp 1-10 [9] Janak Singh, Mayang Ekaputri, “PCR thermal management in an integrated Lab on Chip”, Journal of Physics: Conference Series 34, 2006, pp 222-227 [10] Yi Sun, M.V.D Satyanarayan, Nam Trung Nguyen, Yien Chian Kwok, “Continuous flow polymerase chain reaction using a hybrid PMMA-PC microchip with improved heat tolerance”, Sensor and Actuators B 130, 2008, pp 836-841 [11] Wei-Cheng Tian, Erin Finehout, Microfluidics for Biological Applications, Library of Congress Control Number: 2008930844, Springer Science+Business Media, LLC, 2008, pp 2-29 43 [12] Chunsun Zhang, Jinliang Xu, Wenli Mauer, Wenling Zheng, “PCR microluidic devices for DNA amplification”, Biotechnology Advances 24, 2006, pp 243-284 Internet [13] http://wikipedia.org/wiki/ [14] http://nanobio.kaist.as.ks [15] http://www.ipt.arc.nasa.gov/nanotechnology.html [16] http://www.designer-iii.com/cco/Peltier.pdf 44 [...]... những ống có thiết diện rất lớn [8] Trong thời kỳ khủng hoảng về nhiên liệu của thế giới thì vi c nghiên cứu và phát triển ngành công nghệ vi lưu đang trở nên có ý nghĩa hơn Các hệ thống vi lưu thường có kích thước rất nhỏ, vi c chế tạo ra chúng sử dụng ít nhiên liệu hơn, rẻ hơn và rất dễ dàng chế tạo hàng loạt Thêm nữa là các kênh dẫn trong thiết bị vi lưu chỉ có thể tích vài nanolit, các mẫu thử cũng... cung cấp cho tải phải phụ thuộc vào các yếu tố tồn tại tức thời là điều môi trường xung quanh và nhiệt độ của tải Trên đây là những nghiên cứu về cơ chế gia nhiệt và các phương pháp điều khiển nhiệt độ, là cơ sở cho vi c thiết kế và chế tạo buồng phản ứng PCR Hiện nay, nhóm nghiên cứu vẫn đang từng bước triển khai vi c chế tạo mâm nhiệt, hy vọng trong thời gian tới có thể đưa mâm nhiệt vào thực nghiệm. .. nhau 1.3 Hệ thống vi lưu Hệ thống vi lưu là một lĩnh vực mới thú vị của khoa học và kỹ thuật cho phép phân tích kiểm soát trên quy mô rất nhỏ và thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, hiệu quả và mạnh hơn hệ thống thông thường khác Vi lưu đã xuất hiện vào đầu những năm 1980 và được sử dụng trong vi c phát triển DNA chip, phòng thí nghiệm trên một công nghệ vi mạch (lab-on-chip), công nghệ vi nhiệt.v.v… 8... tên là vi lưu Lĩnh vực này đòi hỏi sự nghiên cứu tổng hợp ba vấn đề: nghiên cứu phương pháp mới nhằm chế tạo 9 ra những hệ thống điều khiển chất lỏng, nghiên cứu những phương pháp tích hợp những chức năng phức tạp của chất lỏng vào trong một thiết bị, và nghiên cứu về cách thức, đặc điểm của chất lỏng khi nó chảy trong những kênh dẫn siêu nhỏ Sự phát triển của công nghệ vi lưu đang góp phần tạo ra... Hình 3 Hình ảnh thiết bị của hệ thống vi lưu Vi lưu khống chế và điều khiển dòng chất lỏng trong một không gian, một thế tích siêu nhỏ cỡ dưới milimet (micromet, nanomet…) [4] Một thiết bị vi lưu có thể có một hoặc nhiều kênh với ít nhất một kích thước nhỏ hơn 1 mm Chất lỏng thường được sử dụng trong các thiết bị vi lưu bao gồm toàn bộ mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein, DNA, hóa chất dùng cho các phản... Năm 1990's, thập kỷ đưa PCR vào nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi (chẩn đoán, lập bản đồ di truyền, xác định trình tự DNA, tạo đột biến DNA in vitro ) 13 1.5 Hệ vi lưu PCR Vi c thu nhỏ kích thước của sinh học và hóa học trong phân tích của các thiết bị công nghệ vi- điện-cơ-hệ thống (MEMS) đã đặt ra một ảnh hưởng quan trọng trên các lĩnh vực như chẩn đoán y tế, phát hiện vi sinh vật và sinh học phân tích... những thể tích chỉ cỡ microlit hoặc nhỏ hơn đến cỡ picolit thì sự khác biệt trên lại trở nên cực kỳ rõ ràng Những thiết bị phần cứng của các thiết bị vi lưu đòi hỏi phương pháp thiết kế và chế tạo rất khác so với những thiết bị siêu nhỏ khác Khi kích thước của một thiết bị hay một hệ thống vi lưu được làm nhỏ hơn thì cách thức hoạt động của chất lỏng đột ngột thay đổi Những hiệu ứng không đáng kể trong... phân tích khác Trong số rất nhiều các thiết bị thu nhỏ phân tích, các chuỗi phản ứng polymerase vi mạch (PCR) / microdevices được nghiên cứu rộng rãi, và do đó sự tiến bộ lớn đã được thực hiện trên các khía cạnh của vi gia trên chip (chế tạo, liên kết và đóng dấu), lựa chọn vật liệu bề mặt, hóa học bề mặt và kiến trúc của buồng phản ứng, xử lý mẫu chất lỏng cần thiết, kiểm soát của ba hoặc thermocycling... đôi DNA, và như vậy 20-35 chu kỳ có thể tạo ra hàng triệu bản DNA Tuy nhiên, dụng cụ PCR thông thường, để phân tích PCR hoàn chỉnh cần khoảng 1-2 h Tất cả các loại công nghệ PCR vi lỏng đã tạo điều kiện khuếch đại DNA với tỷ lệ nhanh hơn nhiều đó là kết quả tốc độ truyền nhiệt lớn hơn Vi c ứng dụng các thiết bị thu nhỏ của PCR đạt được nhiều cải tiến, chủ yếu bao gồm giảm chi phí chế tạo và sử dụng;... thụ ít; giảm vi c sinh ra các sản phẩm PCR không đặc hiệu khác; tăng tính di động và hội nhập của các thiết bị PCR Ngoài ra, thực hiện được một số lượng lớn các phân tích khuếch đại song song trên cùng một chip vi lưu PCR 1.6 Giới thiệu phần mềm COMSOL Mô phỏng hiện tượng khoa học đã nhanh chóng trở thành một phần của vi c thiết kế và tối ưu hóa quy trình trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật COMSOL là ... chế tạo hệ thống vi lưu PCR cho vi c phân tích DNA Để thực nghiên cứu này, tìm hiểu, thu thập thông tin kỹ thuật PCR công nghệ vi lưu ứng dụng công nghệ lĩnh vực y sinh để chế tạo hệ vi lưu PCR. .. HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Hồng Thắm NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI LƯU CHO KỸ THUẬT PCR KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán hướng dẫn: TS Trần Đăng... tạo hệ vi lưu khó khăn giải Trong khuôn khổ khóa luận tập trung nghiên cứu hệ thống vi lưu ứng dụng vi c phân tích DNA, cụ thể hệ thống vi lưu dùng cho phản ứng PCR Để tiếp cận với vi c chế tạo