Mạch phát tần số thành phẩm như hình 3-22 được chạy thử nghiệm với thiết bị đo tín hiệu Oscilloscope MSO2012 của Tektronix để kiểm tra độ chuẩn của tín hiệu tần số được phát ra. Hình 3-23 mô tả quá trình thử nghiệm tần số phát ra của thiết bị. Bảng 3-1 biểu thị kết quả so sánh giữa giá trị tần số phát được cài đặt và giá trị tần số thực tế được phát ra, kết qua đo được thực hiện bởi thiết bị đo tín hiệu chuẩn Oscilloscope MSO2012 của hãng Tektronix.
Bảng 3-1: Bảng đối chiếu giá trị tần số phát và giá trị tần số phát thực tế Tần số phát (kHz) Tần số thực tế Tektronix MSO2012 (kHz) 10 10,08 100 100,3 200 199,4 300 299,8 400 401,5 500 502 600 603,4 700 702,2 800 805,6 900 904,6 1000 1005 1200 1208 1500 1506 3.3. Chế tạo và thử nghiệm
Một nguyên mẫu cấu trúc cảm biến được chế tạo thử nghiệm để sử dụng đánh giá các kết quả mô phòng. Các điện cực vi mô và chân kết nối được tạo bằng cách lắng đọng crom (độ dày 20nm) và vàng (100nm) trên mặt đế thủy tinh.. Kênh lỏng PDMS được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật đúc khuôn. Phương thức chế tạo tham khảo theo tài liệu [22].
Hình 3-24: Kênh dẫn vi lỏng với cảm biến và các bản nối điện cực
Dòng tế bào Sarcoma 180 (Sar-180) được nuôi cấy cho mô hình thí nghiệm về sự tập trung tế bào với cấu trúc cảm biến theo thiết kế.
Hệ thống thí nghiệm hoạt động điều khiển tế bào trong kênh dẫn như hình 3-25 gồm:
- Nguyên mẫu cấu trúc cảm biến chế tạo thử nghiệm. - Kính hiển vi quan sát vật thể trong kênh dẫn.
- Mạch điều khiển và phát tín hiệu điều khiển. - Máy ảnh tốc độ cao.
- Máy tính lưu trữ dữ liệu trong thời gian thử nghiệm
Hình 3-25: Mô hình thử nghiệm cảm biến
Dòng chất lỏng chứa các mẫu tế bào thử nghiệm được đưa vào trong kênh dẫn của cấu trúc cảm biến và tiến hành tạo tín hiệu điều khiển. Máy ảnh có nhiệm vụ liên tục thu thập dữ liệu tiến trình hoạt động của các tế bào bên trong kênh dẫn và lưu trữ trong máy tính.
Để tập trung Sar-180 sinh học vào khu vực cảm biến, sự phân bố các tế bào có thể được kiểm soát bằng cách áp dụng tín hiệu khởi động đến cặp điện cực cụ thể. Bằng cách đó, các tế bào sống có thể được kích hoạt để di chuyển giữa các điện cực.
Quy trình thử nghiệm được tiến hành theo các bước:
Bước 1: Kết nối các thiết bị của hệ thống như máy ảnh tốc độ cao, mạch xử lý tín hiệu điện dung được kết nối lên máy tính.
Bước 2: Đặt cảm biến với các tế bào phát quang dưới kính hiển vi. Kết nối cảm biến với mạch điều khiển tế bào và tín hiệu điện dung của cảm biến được đưa qua mạch xử lý tín hiệu và đưa lên máy tính.
Bước 3: Tiến hành cấp nguồn hoạt động cho hệ thống. Tạo tín hiệu điều khiển tế bào và tiến hành theo dõi quá trình dịch chuyển của tế bào.
Bước 4: Chụp hình vị trí dịch chuyển của tế bào và ghi chép lại giá trị chuyển đổi điện dung tương ứng tại thời điểm chụp ảnh theo chu kỳ thời gian nhất định.
Hình 3-26 cho thấy các kết quả thí nghiệm tập trung các tế bào Sar-180 từ toàn bộ mẫu đến trung tâm của buồng. Các tế bào ban đầu phân bố ngẫu nhiên bên trong buồng.
Hình 3-26: Kết quả thí nghiệm lực DEP lên tế bào
Các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của lực dielectrophoresis lên các tế bào sinh học để thao tác các tế bào sống đến trung tâm của kênh dẫn chất lỏng. (a, b, c) Các tế bào được điều khiển thúc đẩy tiến về phía tâm của kênh dẫn. (d) Hầu hết các tế bào đều tập trung ở tâm của cấu trúc cảm biến.
Hình 3-27: Kết quả đo thể hiện lối ra thay đổi theo số lượng tế bào đích xuất hiện trong vùng cảm biến.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Điệ n áp lối r a (m V)
Vì điều kiện cơ sở không đủ để nuôi cấy được các chế phẩm sinh học phù hợp với mục đích bắt giữ các tế bào cần nhận biết trong thực hiện, do đó, kết quả đưa ra như trên hình 3-27 là kết quả của phương pháp lấy chênh lệch vi sai giữa 2 bản điện cực bằng việc nhận biết sự chênh lệch số lượng tế bào có trên 2 bản điện cực. Qua thử nghiệm cũng có thể đưa ra được kết luận về độ nhạy của cấu trúc cảm biến đưa vào thử nghiệm là điện áp chênh lệch tại tín hiệu ra là 3mV/1 tế bào. Kết quả thử nghiệm thực tế này cho thấy sự tương đồng so với kết quả mô phỏng chênh lệch điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch trên bản điện cực so sánh và điện cực cảm ứng.
KẾT LUẬN Kết luận
Luận văn đã trình bày phương pháp và các kiến thức cơ bản cần biết để thiết kế được một cảm biến tế bào trên kênh dẫn vi lỏng. Phân tích đánh giá ảnh hưởng các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng nhận biết của cấu trúc cảm biến. Đưa ra nhận định, xây dựng tính toán số liệu cơ bản tối ưu cho cấu trúc cảm biến. Cấu trúc xây dựng được mô phỏng trong phần mềm Comsol, đưa ra các kết quả trực quan về thông số của cảm biến thiết kế.
Luận văn cũng đã trình bày thiết kế mạch phát tần số điều khiển vi điều khiển phục vụ thử nghiệm khả năng điều khiển tế bào trong môi trường vi lỏng với dải phát tần từ 1KHz đến 2Mhz với điện áp đỉnh đỉnh có thể điều khiển lên tới 30V và tần số lên tới 40MHz với điện áp đỉnh đỉnh là 1V. Mạch được thiết kế sử dụng vi điều khiển Atmega16 và lập trình bởi ngôn ngữ lập trình C trên phần mềm Codevision.
Hạn chế và hướng phát triển
Do thời gian có hạn, luận văn mới chỉ thực hiện được hữu hạn một số thử nghiệm tín hiệu điện dung cũng như mạch chuyển đổi tín hiệu của thiết bị theo cấu trúc thiết kế đưa ra. Điều này dẫn đến những sai số so với thực tiễn do sự ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng từ bên ngoài mà phần mềm mô phỏng không hỗ trợ đưa vào được.
Mạch phát tần số còn những hạn chế trong dải tần số phát chưa thể phát hết được trong dải tạo lực DEP là 100MHz.
Trong thời gian tới, tôi đề xuất các hướng phát triển tiếp theo như sau:
- Nghiên cứu, tìm hiểu đưa các yếu tố ảnh hưởng môi trường vào trong mô hình thử nhiệm trên phần mềm mô phỏng.
- Nghiên cứu cải tiến cấu trúc cảm biến, giảm sai số do các bản cực nối.
- Nghiên cứu phát triển mạch phát tần với dải tần số cũng như biên độ tín hiệu rộng hơn.
- Nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm mạch xử lý tín hiệu điện dung.
- Hợp tác với các đơn vị có năng lực thử nghiệm chế tạo chế phẩm sinh học Anti-EGFR phù hợp cho thử nghiệm bắt giữ tế bào đích trong cấu trúc cảm biến thử nghiệm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vũ Trung, “Tạp chí STINFO, Thông tin khoa học và công nghệ số 7/2016,” pp. 37–41, 2016.
[2] a Dowling, R. Clift, N. Grobert, D. Hutton, R. Oliver, O. O’neill, J. Pethica, N. Pidgeon, J. Porritt, J. Ryan, and Et Al., “Nanoscience and nanotechnologies : opportunities and uncertainties,” London The Royal Society The Royal Academy of Engineering Report, vol. 46, no. July, pp. 618–618, 2004.
[3] T. Brandstetter, “Biochip-Technologies (2),” no. 2, 2008.
[4] “https://congnghehoahoc.wordpress.com/2012/04/02/cảm-biến-sinh-học-diện- hoa-electrochemical-biosensors/.”
[5] H. Cheng, Y. Zhang, X. Huang, J. A. Rogers, and Y. Huang, “Analysis of a concentric coplanar capacitor for epidermal hydration sensing,” Sensors and Actuators, A: Physical, vol. 203, pp. 149–153, 2013.
[6] T. Chen, “Capacitive sensors for measuring complex permittivity of planar and cylindrical structures,” p. 204, 2012.
[7] J. M. Martinis, R. Barends, and A. N. Korotkov, “Calculation of Coupling Capacitance in Planar Electrodes,” pp. 1–5, 2014.
[8] X. Hu and W. Yang, “Planar capacitive sensors – designs and applications,”
Sensor Review, vol. 30, no. 1, pp. 24–39, 2010.
[9] Q. L. Do, T. T. Bui, T. T. H. Tran, K. Kikuchi, M. Aoyagi, and T. C. Duc, “Differential capacitively coupled contactless conductivity detection (DC4D) sensor for detection of object in microfluidic channel,” 2015 IEEE SENSORS - Proceedings, pp. 5–8, 2015.
[10] A. Vasudev, A. Kaushik, and S. Bhansali, “Electrochemical immunosensor for label free epidermal growth factor receptor (EGFR) detection,” Biosensors and Bioelectronics, vol. 39, no. 1, pp. 300–305, 2013.
[11] E. Kasner, C. A. Hunter, D. Ph, K. Kariko, and D. Ph, “NIH Public Access,” vol. 70, no. 4, pp. 646–656, 2013.
[12] J. Z. Chen, A. A. Darhuber, S. M. Troian, and S. Wagner, “Capacitive sensing of droplets for microfluidic devices based on thermocapillary actuation,” Lab on a Chip, vol. 4, no. 5, p. 473, 2004.
[13] J. Guo, P. Hu, and J. Tan, “Analysis of a segmented annular coplanar capacitive tilt sensor with increased sensitivity,” Sensors (Switzerland), vol. 16, no. 1, 2016.
[14] M. F. A. Rahman, A. A. Manaf, and M. R. Arshad, “Capacitive effect of coplanar electrodes partially outside the microchannel region for underwater microfluidic-based sensor,” Indian Journal of Marine Sciences, vol. 42, no. 8, pp. 987–991, 2013.
[15] S. Bangalore Prakash, “Integrated CMOS capacitance sensor and microactuator control circuits for on-chip cell monitoring,” PhD Thesis, p. xv, 167, 2008. [16] J. Q. Huang, B. Li, and W. Chen, “A CMOS MEMS humidity sensor enhanced
by a capacitive coupling structure,” Micromachines, vol. 7, no. 5, 2016. [17] B. Çetin and D. Li, “Dielectrophoresis in microfluidics technology,”
Electrophoresis, vol. 32, no. 18, pp. 2410–2427, 2011.
[18] L. Do Quang, T. T. Bui, T. V. Quoc, L. P. Thanh, H. Tran, T. Thuy, V. T. Dau, C. P. Jen, and T. C. Duc, “DIELECTROPHORESIS ENRICHMENT WITH
BUILT-IN CAPACITIVE SENSOR MICROFLUIDIC PLATFORM FOR TUMOR RARE CELL DETECTION,” pp. 484–487, 2017.
[19] M. Praeger, Z. Li, J. M. Smallwood, and P. L. Lewin, “Numerical calculation of dielectrophoretic and electrostatic forces acting on micro-scale particles,”
Journal of Physics: Conference Series, vol. 646, p. 12047, 2015.
[20] F. B. Diagram and G. Description, “Datasheer CMOS AD9850,” 1998.
[21] F. B. Diagram and G. Description, “Datasheet Digital Potentiometers AD8400,” pp. 1–20, 2002.
[22] Y. H. Chen, C. C. Peng, Y. J. Cheng, J. G. Wu, and Y. C. Tung, “Generation of nitric oxide gradients in microfluidic devices for cell culture using spatially controlled chemical reactions,” Biomicrofluidics, vol. 7, no. 6, 2013.