CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2. Kỹ thuật điều khiển các đối tượng kích thước micro và nano
1.2.1. Nguồn từ trường
Thời gian qua, việc sử dụng từ trường để điều khiển các vi đối tượng, trong đó có đối tượng sinh học ngày càng phổ biến [1, 15, 16, 22, 30, 37, 40, 46, 58, 127]. Các nguồn từ trường thường được sử dụng là nam châm điện, nam châm từ mềm và nam châm từ cứng. Cả ba nguồn từ trường này đều có thể được sử dụng để tác động lực đẩy hoặc hút lên các vi đối tượng mà không cần phải tiếp xúc với đối tượng. Mỗi loại nguồn từ trường có những đặc điểm riêng của nó.
(a) Nam châm điện
Các nam châm điện được sử dụng rộng rãi để tác động lực từ lên các đối tượng từ tính. Kích thước của các nam châm điện là rất đa dạng từ các cuộn Helmholtz lớn được sử dụng để tác động lên các vi khuẩn tới các cuộn dây kích thước µm đặt dưới các vi kênh [17, 32, 55, 61, 82, 87, 104].
Khả năng điều chỉnh từ trường đơn giản bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy qua các cuộn dây, việc có thể chuyển trạng thái từ “tắt” sang “mở” và ngược lại là các đặc điểm quan trọng của nam châm điện. Hơn nữa, ngày nay việc mô phỏng từ trường được tạo ra bởi các nam châm điện có thể thực hiện với độ chính xác cao. Nhược điểm lớn của nam châm điện đó là nhiệt Joule. Khi nam châm tạo ra từ trường liên tục hoặc từ trường có cường độ cao thì việc xử lý nhiệt sinh ra phải được ưu tiên hàng đầu. Vấn đề sẽ trở nên phức tạp và nghiêm trọng hơn khi làm việc với các thực thể sinh học vì các thực thể này rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ.
(b) Nam châm từ mềm
Nam châm từ mềm là một trong những loại nam châm được phát triển nhiều nhất cho việc phân tách sử dụng từ trường biến thiên lớn [37, 45, 48, 49, 88, 114]. Về cơ bản, các nam châm từ mềm được sử dụng trong lĩnh vực MEMS là các vật liệu có từ độ lớn khi được phân cực trong từ trường ngoài. Khi không có từ trường ngoài đặt vào, mômen từ tổng cộng của nam châm từ mềm bằng 0. Sự chuyển trạng thái “tắt” sang “mở” và ngược lại là một lợi thế của nam châm từ mềm. Ngoài ra các nam châm từ mềm còn có hai lợi thế khác: không tạo ra nhiệt Joule trong khi hoạt động và không cần các nguồn điện ngoài nếu từ trường phân cực ngoài được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên khi được phân cực trong từ trường ngoài thì toàn bộ các mômen từ thành phần của nam châm được phân cực cùng một lúc. Điều này có thể trở thành một vấn đề lớn trong nhiều trường hợp khi cần các vùng phân cực từ địa phương.
(c) Nam châm từ cứng
Nam châm từ cứng, còn gọi là nam châm vĩnh cửu, có khả năng hoạt động tự động hoàn toàn. Về lý thuyết, từ trường do các nam châm từ cứng sinh ra là bền vững và không cần trang thiết bị phụ trợ. Nhược điểm của các nam châm này là khó thay đổi từ trường. Một vấn đề khác là việc chế tạo các nam châm từ cứng kích thước micro bằng các phương pháp từ trên xuống (top-down) hay các phương pháp từ dưới lên (bottom-up) đều khá phức tạp.
Các nam châm vĩnh cửu dạng khối là các nguồn từ trường đầu tiên được kết hợp với các vi kênh để hút các hạt từ. Các nguồn từ trường khác nhau có thể tạo ra bằng cách thay đổi hình dạng, kích thước của nam châm, có thể tích hợp với các thiết bị khác để ứng dụng trong phân tách sử dụng từ trường [70, 76, 77, 110, 111].
Các nam châm vĩnh cửu dạng khối tạo ra được từ trường lớn ở khoảng cách xa, nhưng độ biến thiên từ trường lớn nhất đạt được bị giới hạn trong vùng không gian rất nhỏ ở gần các cạnh của nam châm. Đây là hạn chế chính trong trường hợp cần tạo lực tác động lên các vi đối tượng ở khoảng cách xa.
(d) Vi cấu trúc từ
Trước đây các thiết bị điều khiển từ trường sử dụng các vi cấu trúc từ là các nam châm kích thước nhỏ, cỡ micro, chưa được phát triển nhiều như các thiết bị khác chủ yếu do những khó khăn liên quan đến công nghệ chế tạo và tích hợp. Với sự phát triển của công nghệ vi chế tạo, các nguồn từ trường loại này đã và đang trở nên phù hợp cho sử dụng trong các vi hệ thống do có kích thước nhỏ và có thể tạo được từ trường được giới hạn trong những vùng nhất định [89, 115, 129]. Ngoài ra, việc không đòi hỏi nguồn điện ngoài hay từ trường ngoài là quan trọng cho các thiết bị tích hợp, các thiết bị kiểm tra, xét nghiệm di động. Các nguồn từ trường nhỏ này cũng có những nhược điểm như của nam châm vĩnh cửu, đó là không có khả năng chuyển trạng thái “tắt/mở” và không điều khiển được cường độ từ trường. Tuy nhiên do có kích thước nhỏ, nên các nguồn từ trường này có thể bố trí, sắp xếp với nhau theo những trật tự, cấu hình nhất định để tạo ra được một nguồn từ trường với không gian từ trường như mong muốn.