Kênh vi lưu được chế tạo bằng công nghệ Laser trên nền vật liệu thủy tinh hữu cơ PMMA.
Thủy tinh hữu cơ được phát minh vào năm 1928 trong rất nhiều phòng thí nghiệm khác nhau và được công ty Rohm và Raas biến thành sản phẩm thương mại vào năm 1933.
Thủy tinh hữu cơ (PMMA) tên hóa học là (poly methyl methacrylate) hoặc (poly methyl 2-methylpropenoate) được trùng hợp từ methyl methacrylate, thường được gọi đơn giản là Acrylic. Công thức hóa học của nó là (C5O2H8)n. Thủy tinh hữu cơ có những tính chất khá đặc biệt, trong suốt như thủy tinh nhưng lại có tính mềm dẻo, dễ uốn khi được nung nóng, đặc biệt khi được làm lạnh nó vẫn giữ được độ cứng và hình dạng bị uốn.
Thủy tinh hữu cơ không chỉ được dùng để thay thế cho thủy tinh thường mà nó còn thường được dùng để thay thế cho các loại nhựa, bởi các tính chất đặc biệt mà nó có, dễ gia công, giá thành lại rất rẻ. Để tổng hợp được một 1 Kg vật liệu thủy tinh hữu cơ cần 2 Kg dầu mỏ.
Các tính chất của thủy tinh hữu cơ
- Trong điều kiện bình thường, thủy tinh hữu cơ cháy ở nhiệt độ 460oC, sản phẩm cháy chỉ gồm khí CO2 và nước.
- Hóa dẻo ở nhiệt độ 240-250o
C, rất dễ biến dạng (kéo, uốn, nén…) khi hóa dẻo. - Khối lượng riêng là 1150-1190 kg/m3
, nhẹ hơn thủy tinh thường hai lần và tương được với một số loại chất dẻo khác.
- Có độ bền cơ học cao, khó gẫy vỡ, khó trầy xước hơn thủy tinh thường.
- Thủy tinh hữu cơ cho truyền qua khoảng 98% ánh sáng nhìn thấy, khoảng 4% bị phản xạ trên bề mặt. Chiết suất cỡ 1.4893 đến 1.4899.
- Thủy tinh hữu cơ cho phép ánh sáng hồng ngoại dưới bước sóng 2800 nm, các bước sóng tử ngoại dưới 300 nm truyền qua. Tuy nhiên, người ta có thể pha tạp vào thủy tinh hữu cơ một số vật liệu khác để làm thay đổi tính chất quang của nó.
- Nhược điểm của thủy tinh hữu cơ là dễ bị hòa tan, hòa tan dễ dàng trong các dung môi hữu cơ thuộc các nhóm este.
Dùng laser để gia công các vật liệu thủy tin hữu cơ rất dễ dàng. Tia laser được sử dụng không cần có công suất lớn. Thủy tinh hữu cơ bay hơi thành dạng hỗn hợp khí dưới tác dụng của tia laser, do đó những vết khắc hoặc cắt rất sạch và đẹp. Đây chính là điểm nổi bật hơn cả của thủy tinh hữu cơ so với các vật liệu PE hay PC.
Kênh vi lưu thử nghiệm được gia công chế tạo bằng máy VersalLASER được đặt tại phòng thí nghiệm – E4 – Trường ĐH Công Nghệ (ĐHQGHN).
Quy trình chế tạo kênh khá đơn giản, không đòi hỏi tới các phương pháp chế tạo phức tạp như quang khắc, ăn mòn… vẫn được các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới sử dụng trong chế tạo kênh dẫn vi lưu, do đó tiết kiệm được tối đa chi phí mà vẫn đạt được cấu hình như mong muốn.
Các bước chế tạo như sau:
- Sử dụng laser CO2 gia công trên vật liệu PMMA để tạo ra từng phần khác nhau của kênh.
- Các phần khác nhau của kênh sau khi được xử lý bề mặt, được đưa và quy trình ép nhiệt để tạo hình kênh dẫn.
- Gắn các ống dẫn chất lỏng bằng Polyethylene tại các lối vào và lối ra của kênh để thu được một kênh dẫn hoàn thiện.
Chế tạo kênh dẫn bằng vật liệu PMMA không chỉ khá dễ dàng, kênh dẫn có tính thẫm mỹ cao… mà còn rất thuận tiện trong việc quan sát các hiện tượng xảy ra trong kênh dẫn vi lưu nhờ vào các tính chất quý báu của loại vật liệu PMMA này.
Cấu trúc của kênh dẫn đầu tiên được thiết kế bằng phần mềm đồ họa COREL DRAW. Bản vẽ thiết kế cuối cùng sẽ được chuyển ra cho máy laser để tiến hành gia công.
Hình 3.14. Thiết kế kênh dẫn vi lưu PCR bằng phần mềm đồ họa
Trong hệ thống PCR này, cấu trúc mặt cắt ngang của một kênh dẫn gồm có hai lớp có kích thước như nhau, lần lượt từ trên xuống là:
- Lớp trên là một miếng PMMA hình chữ nhật, trên đó được khoan các lỗ tròn chính xác tại các vị trí lối vào và lối ra của kênh dẫn. Có hai tác dụng, để che kín mặt trên của kênh dẫn, đồng thời các lỗ khoan cho phép dẫn chất lỏng vào trong lòng kênh và đẩy các sản phẩm sau quá trình tương tác trong kênh ra ngoài. Các phần còn lại được khắc lõm để chứa sensor đo nhiệt độ, các dây cấp nguồn cho sensor, các dây tín hiệu và cổng kết nối với thiết bị thu thập dữ liệu (Phần màu xanh nước biển là các cổng kết nối, phần màu đen là khe chứa các dây dẫn, phần màu vàng được khắc sâu nhất cỡ 1mm-1.2mm để chứa sensor nhiệt độ, phần màu xanh lá cây được khắc trên mặt còn lại hoặc không khắc dùng để định vị chuông chứa chất lỏng hay còn gọi là buồng phản ứng của kênh).
- Lớp dưới là phần cấu trúc của kênh dẫn được khắc bằng Laser , để sao cho khi gắn với lớp trên sẽ tạo thành một buồng kín với các lối vào, ra và chuông phản ứng, tạo thành kênh dẫn vi lưu PCR. Các kí hiệu về màu sắc cũng tương tự như lớp trên. Các kí hiều màu sắc này giúp cho máy laser có thể nhận biết chính xác đường nào là đường cắt, đường nào là đường khắc các mức công suất laser khác nhau.
Các tấm vật liệu sau khi gia công sẽ được làm sạch bằng dung dịch rửa và tiến hành ghép lại với nhau thành một khối thống nhất bằng phương pháp ép nhiệt. Nguyên
lý của phương pháp ép nhiệt khá đơn giản, các phân tử trong vật liệu PMMA cũng như mọi loại vật liệu khác luôn luôn có xu hướng dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó, nhiệt độ càng cao, dao động này càng lớn. Khi đó, nếu ta đặt sát hai tấm vật liệu PMMA với nhau, thì tại bề mặt tiếp xúc của hai tấm, các phân tử của tấm PMMA này sẽ khuếch tán sang tấm PMMA kia, và ngược lại. Khi hạ thấp nhiệt độ, do sự khuếch tán lẫn nhau nên hai tấm PMMA sẽ gắn liền vào với nhau. Để tăng hiệu suất của quá trình ép nhiệt, ta tác dụng lên bề mặt của kênh dẫn một áp lực nhẹ.
Quá trình đốt nhiệt cho đế được điều khiển bằng phần mềm WinFlipChip 1.2 Rev 018. Phần mềm này cho phép khống chế nhiệt độ chính xác theo thời gian đặt trước, điều chỉnh tốc độ gia nhiệt cho đế…
Sơ đồ dưới đây là một quy trình đốt nhiệt trên đế:
Hình 3.15. Biểu đồ nhiệt độ và thời gian ép nhiệt tương ứng
Biểu đồ này được xây dựng dựa trên các tính chất của vật liệu PMMA và nhiều lần tiến hành thực nghiệm. Ta biết rằng vật liệu PMMA hóa dẻo ở 200-250oC, nhiệt độ ép được duy trì ở 200oC kết hợp với tác dụng áp lực lên kênh giúp cho kênh sau khi ép có chất lượng khá tốt, kênh hoàn toàn không bị biến dạng (do nhiệt độ ép thấp hơn nhiệt độ hóa dẻo).
Các bước nhiệt độ trung gian có ý nghĩa làm ổn định cấu trúc của kênh khi ép, giảm được hiện tượng bọt khí xuất hiện ở các mặt tiếp xúc giữa các lớp của kênh.
Cuối cùng, kênh được gắn các ống dẫn chất lỏng bằng polyethylene cứng chính xác tại các lối vào và ra của chất lỏng. Các ống này còn có tác dụng kết nối được với hệ thống bơm chất lỏng thông qua một đường dẫn bằng polyethylene mềm dẻo thường được sử dụng trong y tế. Chính vì vậy hệ thống kênh dẫn sau cùng này có tính cơ động cao, gọn nhẹ thuận tiện cho bảo quản và xử lý kênh sau khi sử dụng.
Kênh dẫn chế tạo được có cấu trúc chắc chắn, gọn nhẹ, tương đối bền về mặt hóa học, hứa hẹn có khả năng tương thích sinh học cao, dễ dàng ghép nối với các hệ bơm, rất thuận tiện cho các khảo sát đo đạc, cũng như sử dụng kênh cho các mục đích nghiên cứu khác.
Hình 3.16. Kênh vi lưu PCR được chế tạo hoàn thiện
Kênh vi lưu PCR sau khi được chế tạo sẽ được tích hợp thêm module sensor nhiệt độ LM35, module này được cấp nguồn và tín hiệu đo đạc sẽ được truyền về mạch điều khiển trung tâm thông qua một dây cáp bọc kim chống nhiễu.
Các đường chất lỏng cũng được đưa vào các đầu vào ra chất lỏng được gia công trên kênh. Cuối cùng, kênh dẫn được đưa vào buồng gia nhiệt nằm giữa hai bộ phận gia nhiệt TE được chế tạo ở phần trên.