3.3 Thực nghiệm khảo sát chip vi kênh với các tốc độ bơm khác nhau
Chip vi kênh được chế tạo bởi sự kết hợp hai kỹ thuật là tạo kênh PDMS bằng phương pháp in 3D khuơn và chế tạo platform bằng tấm PCB mạch in. Trên tấm PCB đã được thiết kế và chế tạo cảm biến tụ điện 3 điện cực kiểu vi sai.
Sự kết hợp của hai phương pháp chế tạo trên tạo ra một con chip với nhiều ưu điểm về thời gian và giá thành trong việc chế tạo. Chip 3D-PCB cần được khảo sát và đánh giá hoạt động của chip. Do đĩ cần xây dựng bài tốn khảo sát hoạt động của chip. Các câu hỏi đặt ra bao gồm:
- Với Chip vi kênh được chế tạo trên nền PCB platform thì cĩ đảm bảo được yếu tố tạo giọt tốt như chip chế tạo trên nền kính khơng.
- Bằng chip đã được chế tạo, với việc tích hợp cảm biến tụ điện thì hoạt động của cảm biến thế nào? Cĩ đáp ứng được việc đo giọt với vận tốc và kích thước so với các chip chế tạo bằng phương pháp khác khơng?
Để trả lời các câu hỏi đĩ, nghiên cứu đi tiến hành khảo sát hoạt động của chip trong việc tạo kích thước giọt, tốc độ giọt, và đồng thời khảo sát cảm biến tụ điện nhằm phát hiện giọt chạy trong vi kênh cũng như khả năng đo kích thước và vận tốc của giọt.
Bài tốn khảo sát bao gồm:
- Khảo sát các tỉ lệ lưu lượng bơm dầu và dung dịch vào vi kênh tạo giọt nhằm tạo ra các kích thước giọt khác nhau.
-Tương ứng với các tốc độ đĩ thì tín hiệu đo từ cảm biến sẽ thay đổi tương quan với vận tốc giọt và kích thước giọt.
3.3.1 Khảo sát khả năng tạo giọt của chip với tốc độ dầu thay đổi từ 50 ul/min tới 200 ul/min. tới 200 ul/min.
Tiến hành thí nghiệm giữ nguyên tốc độ bơm chất lỏng là 20 µl/phút vào kênh chính, và thay đổi tốc độ lưu lượng bơm kênh cắt tạo giọt từ 50-200 µl/phút để khảo sát khả năng tạo giọt. Kết quả khảo sát được mơ tả ở bảng 1. Hình ảnh 3.5 mơ tả kết quả đo trên chip tạo giọt PCB. Hình 3.5a là ảnh thực tế của giọt được tạo ra từ tốc độ bơm 20 µl của chất lỏng và tốc độ bơm dầu 130 µl. Tương ứng với sự cĩ mặt của giọt trên cảm biến là tín hiệu đo được của cảm biến cĩ dạng như hình 3.5b. Hình 3.5b cho thấy các thơng tin về biên độ tín hiệu tương ứng với giọt và thời gian xung đỉnh giữ 2 giọt tương ứng với vận tốc của giọt.
a b
Hình 3.5: Ảnh tạo giọt và tín hiệu đo trên cảm biến, a) tạo giọt ở tốc độ bơm dung dịch 20 µl/phút và tốc độ dầu 130 µl/phút, b) tín hiệu tương ứng với giọt.
Bảng 3.1: Kết quả tạo giọt ở lưu lượng bơm dung dịch 20µl/min và thay đổi tốc độ bơm dầu từ 50 µl/min tới 200 µl/min.
Tốc độ dầu(µl) Tỉ lệ (dầu(µl)/nước(20µl)) Peak(mV) S(mm 2) Time(ms) 50 2.5 496 0.524 670 70 3.5 392 0.418 490 90 4.5 368 0.379 504 110 5.5 248 0.26 356 130 6.5 240 0.218 360 150 7.5 216 0.19 284 170 8.5 208 0.179 272 190 9.5 176 0.16 240
Bảng 3.1 mơ tả các tham số khảo sát tạo giọt của chip PCB-3D khuơn. Tham số peak đơn vị mV là biên độ xung tạo ra tương ứng với kích thước giọt cĩ tham số diện tích đo được là S. thời gian giọt đi qua cảm biến được ghi bằng dao động ký số cĩ đơn vị là ms.
3.3.2 Khảo sát chip tạo giọt với tốc độ bơm chất lỏng là 50 µl và tăng dần tốc độ bơm dầu từ 50-200 µl độ bơm dầu từ 50-200 µl
Kết quà khảo sát chip với tốc độ bơm dung dịch nước màu ở 50 µl được cho trong bảng 3.2
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát chip tạo giọt với tốc độ cố định của chất lỏng là 50µl và thay đổi tốc độ bơm dầu.
Tốc độ dầu(µl) Tỉ lệ (dầu(µl)/nước(50µl)) Peak (mV) S (mm2) Time (ms)
50 1.0 544 0.87 388 70 1.4 488 0.95 500 90 1.8 368 0.52 252 110 2.2 376 0.56 332 130 2.6 328 0.53 290 150 3.0 296 0.5 264 170 3.4 272 0.39 248 190 3.8 264 0.38 212
3.4 Phân tích kết quả
Trong khảo sát này mẫu kênh chữ Y được sử dụng với cấu tạo gồm kênh dịng chảy chính và kênh cắt tạo giọt. Kênh cắt tạo giọt cĩ cấu trúc hình chữ Y với chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm. Kênh chính cĩ chiều rộng 200 µm và chiều cao 100 µm. Cảm biến vi sai dùng để đo vi giọt với 3 điện cực là điện cực đĩn, điện cực kích thích và điện cực tham chiếu. Khoảng cách giữa điện cực đĩn và điện cực kích thích là 400 µm và khoảng cách giữa điện cực đĩn và điện cực tham chiếu là 800 µm. Các khảo sát chi tiết về quan hệ giữa tín hiệu ra và kích thước giọt cũng như sự thay đổi tốc độ bơm và kích thước giọt, tốc độ bơm và tốc độ tạo giọt được thực hiện với các kết quả được trình bày trong phần kế tiếp.
3.4.1 Khảo sát tương quan giữa tín hiệu ra và kích thước giọt
Hình 3.6: Tương quan tín hiệu ra và kích thước giọt khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu ở kênh chính là 20
µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút
Hình đồ thị 3.6 mơ tả tương quan tuyến tính giữa tín hiệu ra và kích thước giọt khi khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm và chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu ở kênh chính là 20μl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút để khảo sát khả năng tạo giọt. Kích thước giọt và biên độ đỉnh - đỉnh của tín hiệu ra tỉ lệ thuận với nhau theo hàm bậc nhất. Hệ số
gĩc: A= 0.379/368 (mm2/mV) = 1,03 (mm2/1V) = 0.000103 mm2/mV từ đĩ tính ngược lại được kích thước giọt theo biên độ tín hiệu. S (kích thước giọt) = A.Voutput. Dựa vào đĩ ta cĩ bảng đồ thị kích thước giọt theo tín hiệu ra.
3.4.2 Sự thay đổi của tốc độ bơm dầu tác động lên kích thước hạt
Hình 3.7: Sự thay đổi của kích thước hạt tương ứng với tốc độ dầu bơm vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu ở kênh chính là 20 µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay
đổi từ 50-200 µl/phút
Hình 3.7 mơ tả tương quan sự thay đổi của kích thước hạt tương ứng với tốc độ bơm dầu khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm và chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu ở kênh chính là 20 μl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút.. Ta nhận thấy tốc độ bơm dầu càng nhanh thì giọt tạo ra càng nhỏ, tại thời điểm tốc độ dầu tăng dần từ 50 -110 µl/phút thì diện tích vi giọt tạo ra giảm một cách đáng kể từ 0.524 mm2 xuống 0.26 mm2
nhưng khi tốc độ dầu tiến từ 170 µl/phút đến 190 µl/phút thì kích thước giọt thay
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 50 70 90 110 130 150 170 190 Kíc h thước vi giọt (thiế t di ện mặt c ắt của g iọt (mm 2) Tốc độ của dầu (µl/phút)
đổi chậm dần chỉ từ 0.179 mm2 xuống 0.16 mm2. Kết luận là diện tích vi giọt tỉ lệ nghịch với tốc độ bơm của dầu tại kênh cắt tạo giọt chữ Y.
3.4.3 Khảo sát tương quan giữa tốc độ bơm của dầu và tốc độ tạo giọt
Hình 3.8: Sự thay đổi của chu kì tín hiệu tương ứng với tốc độ dầu bơm vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm
nước màu ở kênh chính là 20 µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút
Hình 3.8 mơ tả tương quan sự thay đổi của chu kì tín hiệu và tốc độ dầu bơm vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm và chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu ở kênh chính là 20μl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút. Cĩ thể thấy rằng khi tốc độ bơm dầu càng cao thì thời gian xuất hiện giữa hai giọt càng nhỏ. Nghĩa là tần suất xuất hiện càng lớn. Tuy nhiên vẫn cịn một số thời điểm tần số xuất hiện vi giọt vẫn chưa ổn định, ta cĩ thể thấy tại thời điểm tốc độ dầu 70 μl/phút thời gian xuất hiện giữa 2 giọt liên tiếp là 490 ms nhưng tại thời điểm tốc độ dầu 90 μl/phút thì chu kì lại là 504 ms. Tương tự đối với tốc độ dầu 110 μl/phút chu kì xuất hiện 2 giọt là 356 ms cịn tại thời điểm tốc độ dầu 130 μl/phút thì chu kì xuất hiện là 360 ms. Tại thời điểm từ 130 µl/phút đến 190 μl/phút thì chu kì xuất hiện giữa 2 giọt liên tiếp đã ổn định tuyến tính từ 360 ms xuống 240 ms 0 100 200 300 400 500 600 700 800 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Ch u k ì tín h i ệ u (ms)
KẾT LUẬN
Trong khuơn khổ luận văn này, chip vi lưu tạo giọt đã được nghiên cứu chế tạo với vi kênh dẫn PDMS sử dụng khuơn chế tạo bằng phương pháp in 3D và bản mạch in PCB, với cảm biến điện dung được tích hợp trên bản mạch PCB. Một hệ thống đo lường đã được xây dựng để khảo sát vận tốc, kích thước giọt, sự phụ thuộc của kích thước giọt và vận tốc đối với dạng tín hiệu điện tương ứng. Hoạt động của hệ thống đã được khảo sát, đánh giá khả năng tạo giọt dựa trên các tuỳ biến điều khiển tốc độ dịng chảy và một số thơng số khác như kích thước và độ nhớt của kênh vi lưu
Chip vi lưu hoạt động tạo ra được các vi giọt kích thước khác nhau với tốc độ tạo giọt khác nhau, được xác định sử dụng kính hiển vi và hình ảnh thu được từ camera. Các kết quả tạo giọt và phát hiện giọt thu được này là cơ sở mở ra khả năng phát triển thiết bị điều khiển tự động hệ thống giọt, hướng tới những ứng dụng trong y sinh và hố học.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chi Xiao, Jens Eriksson, Anke Suska, Daniel Filippini, Wing Cheung Mak, Print-and-stick unibody microfluidics coupled surface plasmon resonance (SPR) chip for smartphone imaging SPR (Smart-iSRP), Analytica Chimica Acta, Volume 1201, 2022, 339606
[2] Mahmood Fani, Peyman Pourafshary, Peyman Mostaghimi, Nader Mosavat, Application of microfluidics in chemical enhanced oil recovery: A review, Fuel, Volume 315, 2022, 123225
[3] Suea-Ngam, Akkapol, Philip D. Howes, Monpichar Srisa-Art and Andrew J. deMello. “Droplet microfluidics: from proof-of-concept to real-world utility?” Chemical communications (2019): n. pag.
[4] Dagan Zhang, Wenzhao Li, Yixuan Shang, Luoran Shang,Programmable microfluidic manipulations for biomedical applications,Engineered Regeneration, Volume 3, Issue 3, 2022, Pages 258-261
[5] Shiwpursad Jasveer, Xue Jianbin, “Comparison of Different Types of 3D Printing Technologies”, International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 8, Issue 4, April 2018
[6] Muhamad Damanhuri, Amir Abdullah & Hariri, Azian & Alkahari, Mohd Rizal & Bin Md Fauadi, Muhammad Hafidz Fazli & Zainal Bakri, Siti. (2019). Indoor Air Concentration from Selective Laser Sintering 3D Printer using Virgin Polyamide Nylon (PA12) Powder: A Pilot Study. International Journal of Integrated Engineering. 11. 140-149. 10.30880/ijie.2019.11.05.019.
[7] Pugalendhi, Arivazhagan & Ranganathan, Rajesh & Chandrasekaran, Manivannan. (2020). Effect of process parameters on mechanical properties of VeroBlue material and their optimal selection in PolyJet technology. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 108. 10.1007/s00170-019-04782-z.
[8] Li, Wen; Zhang, Liyuan; Ge, Xuehui; Xu, Biyi; Zhang, Weixia; Qu, Liangliang;
Choi, Chang-Hyung; Xu, Jianhong; Zhang, Afang; Lee, Hyomin; Weitz, David A. (2018) “Microfluidic fabrication of microparticles for biomedical applications”. Chemical Society Reviews, vol. 47, pp. 5646-5683, doi:10.1039/C7CS00263G
[9] 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.
[10] Tuan Vu Quoc, Loc Do Quang, Quang Du Tri, Nam Nguyen Hoang, 1Tung Thanh Bui, Trinh Chu Duc “Sensing microfludic platform based on 3D printing and PCB technologies”
[11] Taubert, Andreas; Mano, Jộo F.; Rodríguez-Cabello, J. Carlos (2013). Biomaterials Surface Science (Taubert/Biomaterials Surface Science) || Micro - and Nanopatterning of Biomaterial Surfaces. , 10.1002/9783527649600(), 285–309. doi:10.1002/9783527649600.ch10
[12] El Fissi, Lamia; Fernández, Román; García, Pablo; Calero, María; García, José V.; Jiménez, Yolanda; Arnau, Antonio; Francis, Laurent A. (2019). OSTEMER polymer as a rapid packaging of electronics and microfluidic system on PCB. Sensors and Actuators A: Physical, 285(), 511–518. doi:10.1016/j.sna.2018.11.050 [13] “Precision Instrumentation Amplifier”, 2015