Thiết bị microfluidic là rất cần thiết đối với sự phát triển của lab-on-a-chip. Một số thiết bị microfluidic được phát triển với những cấu trúc cơ bản tương tự như thiết bị lưu chất quy mô. Thiết bị này bao gồm vi bơm, vi van, hệ thống vi phân phối... Những chi tiết vừa liệt kê được phát triển ở cả hình thức hoạt động và thụ động, thiết bị microfluidic thụ động thường dễ chế tạo, không đòi hỏi tính đa dạng chức năng như thiết bị hoạt động. Ví dụ, vi van thụ động hoạt động dựa trên sức căng bề mặt và áp suất do chất lỏng tạo ra trong khi vi van hoạt động khởi sự on/off tùy thuộc vào tín hiệu bên ngoài, bất kể tình
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
trạng của hệ thống chất lỏng. Đã có nhiều nghiên cứu phát triển hệ thống microfluidic hoạt động, tuy nhiên nó đòi hỏi nhiều chi phí cho chức năng phức tạp và yêu cầu cao. Các thiết bị microfluidic thụ động không yêu cầu nguồn điện bên ngoài, việc kiểm soát tác dụng của thiết bị, một phần, rút ra từ chất lỏng làm việc, hoặc dựa hoàn toàn vào các hiệu ứng bề mặt chẳng hạn như sức căng bề mặt, sự kiểm soát ưa nước, kỵ nước chọn lọc... Hầu hết những thiết bị microfluidic thụ động khai thác những đặc tính vốn có của hình dạng, góc tiếp xúc, và đặc tính dòng chảy để đạt được chức năng mong muốn. Những thiết bị loại này dễ chế tạo, đơn giản với rất ít hoặc không có mạch điều khiển [11].
2.2.2.1. Vi van thụ động
Vi van thụ động là một chủ đề được quan tâm lớn nhất và đầu tiên kể từ khi ra đời khái niệm phòng thí nghiệm trên một con chip (lab-on-a-chip). Vi van là thành phần quan trọng của bất kỳ hệ thống microfluidic nào và rất cần thiết cho hoạt động theo trình tự của lưu chất. Vì hầu hết các phản ứng hóa học và sinh hóa cần khoảng 5 ” 6 bước phản ứng, vi van thụ động với chức năng giới hạn lượng chất lỏng nên rất lý tưởng cho các nhiệm vụ đơn giản như điều chỉnh lượng chất lỏng và thứ tự các phản ứng.
Vi van bị động có thể được phân loại dựa trên: - Chức năng _ hòa trộn, sàng lọc, phản ứng… - Môi trường lưu chất _ khí hay lỏng.
- Ứng dụng _ sinh học, hóa học và khác.
- Vật liệu chất nền _ silicon, thủy tinh, polysilion, polymer...
Hình 2.6. Một số loại van thụ động [11].
2.2.2.2. Bộ vi phối trộn thụ động
Sự thành công của các hệ thống microfluidic một phần là nhờ vào sự giảm đáng kể khối lượng xử lý của hệ thống. Sự giảm thể tích này được thực hiện bằng cách sử dụng những đặc tính vi chế tạo và kích thước kênh trong phạm vi vài µm đến vài trăm µm. Mặc
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
dầu lợi thế xuất phát từ các kênh có kích thước micro, thách thức phải kể đến là hiệu quả phối trộn các chất lỏng ở thể tích micro. Sự phối trộn ở quy mô lớn là một quá trình chế độ dòng chảy hỗn loạn. Tuy nhiên, ở mức độ vi mô, chỉ số Reynold thấp do kích thước kênh nhỏ, hầu hết những dòng chảy tầng không cho phép phối trộn có hiệu quả. Mặc khác, sự khuyếch tán là một nhân tố quan trọng trong quá trình phối trộn nhưng trong hệ thống micro chiều dài dòng khuyếch tán ngắn.
Đã có nhiều nỗ lực thực hiện quá trình vi phối trộn sử dụng cả hai kỹ thuật chủ động và thụ động. Phối trộn chủ động thì dựa trên việc tạo ra sự xáo trộn cục bộ để tăng quá trình phối trộn, ngược lại, phối trộn bị động chủ yếu chỉ nhờ vào sự khuyếch tán [11]. Quá trình khuyếch tán ở mức vi mô có thể được mô hình hóa bằng phương trình sau: t = d2/D. Trong đó, t là thời gian phối trộn, d là khoảng cách, D là hệ số khuyếch tán. Do chiều dài khuyếch tán (d) nhỏ, thời gian thực hiện phối trộn rất ngắn. Các kiểu đơn giản nhất để nâng cao khả năng phối trộn được minh họa trong hình 2.7. Những bộ phối trộn này tạo ra một con đường xoắn nhằm làm tăng chiều dài con đường tham gia của hai lưu chất, dẫn đến sự khuyếch tán cao hơn và hòa trộn hoàn toàn hơn. Tuy nhiên, bộ trộn này chỉ thực hiện quá trình hòa trộn tốt ở tốc độ dòng chảy thấp, trong phạm vi một vài µl/phút.
Hình 2.7. Bộ phối trộn nâng cao sự khuyếch tán dựa trên chiều dài và dòng
chảy xoắn [11].
Stroock et al. trình bày một bộ vi trộn thụ động sử dụng sự pha trộn hỗn loạn bằng cách thêm vào một thành phần dòng chảy nằm ngang trên dòng trục. Những chóp nhọn được chế tạo tại đáy của vi kênh. Sự đối kháng dòng chảy thì thấp hơn dọc theo các chóp (đỉnh/chỗ lõm) và cao hơn theo chiều trục, từ đó, sinh ra một mô hình dòng chảy xoắn ốc đặt lên các dòng chảy tầng. Bộ trộn này đã chứng minh cho thấy hiệu suất trộn qua một loạt các vận tốc dòng chảy.
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
Hong et al. trình bày một bộ vi trộn thụ động dựa trên hiệu ứng Koanda. Thiết kế của họ sử dụng những tác động của sự khuyếch tán hòa trộn với vận tốc dòng chảy thấp; với vận tốc dòng chảy cao, một thành phần đối lưu được thêm vào vuông góc với hướng dòng chảy cho phép sự hòa trộn nhanh chóng. Bộ trộn này cho thấy màn trình diễn hòa trộn tuyệt vời qua một loạt các mức lưu lượng nhờ hiệu ứng hòa trộn kép (Hình 2.8).
Hình 2.8. Bộ phối trộn dựa trên hiệu ứng Koanda [11].
2.2.2.3. Hệ vi phân phối thụ động
Hệ thống vi phân phối làm việc dựa trên nguyên tắc đo lường thể tích phân phối. Chất lỏng được nạp vào khoang chứa thông qua một bơm tiêm. Khi chất lỏng lấp đầy thể tích chính xác cố định của khoang chứa, van thụ động thứ hai sẽ làm ngưng quá trình bơm. Tiếp theo, một áp suất cao hơn được áp vào thông qua dòng khí vào gây ra sự phân nhánh tại cửa ra của khoang (hình 2.9). Theo đó, thể tích chính xác của khoang chứa sẽ quyết định độ chính xác của thể tích được phân phối. Vì thiết bị được sản xuất sử dụng kỹ thuật quang khắc UV-LIGA nên độ chính xác cao và thể tích khoang chứa tạo ra được định rõ. Chất lỏng được đẩy qua bên phải khoang chứa bắt đầu điền vào rãnh phân phối. Khi chất lỏng chạm đến điểm B (hình 2.9), vi van thứ 3 giữ cột chất lỏng lại. Hình 2.10 vận hành thực tế của một hệ thống vi phân phối. Hình 2.10f cho thấy thể tích phân phối được giữ lại bởi van thụ động 3, và tại giai đoạn này, chiều dài (theo đó là thể tích) có thể được ước tính bằng cách sử dụng tỷ lệ trên chip. Trong các thí nghiệm, tỷ lệ này được quan sát bằng cách sử dụng một kính hiển vi nổi để đo chiều dài của các cột chất lỏng.
Hình 2.9. Bản phác thảo dưới dạng biểu đồ của hệ thống vi phân phối [11].
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
Hình 2.10. Vi ảnh của trình tự vi phân phối [11].
(a) thiết bị đã được chế tạo; (b) chất lỏng tại lối vào khoang chứa; (c) sự điền đầy khoang; (d) khoang đã điền đầy; (e) chia chất lỏng nhờ sự đẩy khí (f) chất lỏng được đẩy đến những (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
rãnh đo lường và bị khóa ở trong bởi van thụ động.
2.2.2.4. Hệ thống microfluidic tích hợp nhiều hệ vi phân phối thụ động
Ahn et al. mô tả một phương pháp mới để kiểm soát sự di chuyển của chất lỏng theo kiểu lập trình một mạng lưới vi lỏng [11]. Bằng cách kết hợp kỹ thuật này với các hệ vi phân phối, một hệ thống microfluidic có chức năng hữu ích hơn được thực hiện. Hình 2.11 chỉ ra sơ đồ của hệ thống microfluidic tích hợp nhiều hệ phân phối.
Hình 2.11. Thiết bị phân phối với bộ vi lỏng tích hợp [11]. a) Hình minh họa; b) thiết bị đã chế tạo được điền đầy bởi thuốc nhuộm.
Hệ thống microfluidic tích hợp được thiết kế để có một trình tự phân phối được lập trình, hình 2.11a, con số trên mỗi nhánh cho thấy trình tự điền. Sự điền theo trình tự này đạt được bằng cách sử dụng những tỷ lệ khác nhau của van thụ động. Ví dụ, tại điểm phân nhánh đầu tiên, các van thụ động ở nhánh trên có trở lực thấp hơn ở nhánh dưới, do đó,
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
chất lỏng được phân phối đầu tiên sẽ điền vào các nhánh trên. Sau khi điền vào nhánh trên, chất lỏng gặp phải van thụ động tại điểm cuối của nhánh trên. Aùp lực cần thiết để đẩy qua van này cao hơn áp lực cần thiết để đẩy chất lỏng vào trong nhánh dưới của lần phân chia đầu tiên, vì vậy chất lỏng sau đó sẽ điền vào nhánh dưới. Trình tự van thụ động không đối xứng này tiếp tục dọc theo các nhánh phân phối, hình 2.12.
Hình 2.12. Vi ảnh chỉ ra sự hoạt động của hệ phân phối đa thành phần [11].
(a) sự phân chia mức độ đầu; (b) sự phân chia mức độ thứ hai; (c) sự phân chia tiếp tục; và (d) kết thúc của trình tự phân phối liên tục.
2.2.2.5. Vi bơm
Một hệ thống thụ động vốn được định nghĩa là không đòi hỏi một nguồn năng lượng từ bên ngoài. Theo đó thuật ngữ vi bơm có vẻ là một cái tên sai khi đối chiếu với định nghĩa ban đầu. Tuy nhiên, đã có một số nỗ lực dành riêng để thực hiện một vi bơm thụ động có bản chất là không lấy năng lượng từ nguồn bên ngoài, nhưng chứa năng lượng kích thích cần thiết ở một số dạng và chuyển nó thành cơ năng theo yêu cầu.
Vi bơm thụ động dựa vào áp suất thẩm thấu
Nagakura et al. trình bày một cơ cấu truyền động thẩm thấu biến đổi năng lượng hóa học thành cơ học [11]. Sự thẩm thấu là một hiện tượng được nhiều người biết đến bằng cách chất lỏng được chuyển qua một màng bán thấm để đạt được sự phân phối nồng độ qua màng. Nếu màng linh động, chẳng hạn như màng mà Nagakura et al. sử dụng, sự di chuyển của chất lỏng sẽ gây ra cho màng sự biến dạng và hoạt động như một cơ cấu truyền động. Trở ngại vốn có của việc sử dụng sự thẩm thấu như một cơ cấu phát động là nó là một quá trình rất chậm: thời gian đáp trả tiêu biểu là khoảng vài giờ. Tuy nhiên, sự
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
thẩm thấu thuận lợi hơn ở tỷ lệ vi mô, và người ta cho rằng những thiết bị này sẽ có thời gian đáp trả khoảng vài phút, thay vì giờ. Dựa trên ý tưởng này, Nagakura et al. đang phát triển một máy bơm insulin thu nhỏ.
Bơm thụ động dựa trên sức căng bề mặt
Glenn et al. đã trình bày sự hoạt động của bơm bằng cách sử dụng sự khác nhau giữa áp lực sức căng bề mặt tại đầu vào và đầu ra của kênh vi lỏng [11]. Trong trường hợp đơn giản nhất, một giọt chất lỏng nhỏ được đặt tại vị trí cuối của một vi kênh thẳng, và một giọt chất lỏng lớn hơn nhiều được đặt ở đầu đối diện của vi kênh. Áp suất bên trong của giọt nhỏ thì cao hơn đáng kể so với áp suất bên trong giọt lớn, do sự khác nhau về hiệu ứng sức căng bề mặt trên hai giọt. Do đó, chất lỏng sẽ chảy từ giọt nhỏ và nhập vào giọt lớn. Tốc độ chảy có thể thay đổi bằng cách thay đổi những thông số khác nhau chẳng hạn như thể tích của giọt bơm, năng lượng bề mặt tự do của chất lỏng hoặc trở lực của vi kênh... Hệ thống bơm này rất dễ thực hiện và có thể được sử dụng với nhiều chất lỏng khác nhau.
Vi bơm liên tục dựa trên sự bay hơi
Effenhauser et al. trình bày một vi bơm liên tục dựa trên phương pháp bay hơi có kiểm soát [11]. Ý tưởng của họ là dựa trên sự bay hơi có kiểm soát của một chất lỏng thông qua một màng bên trong khoang chứa khí. Khoang chứa chứa một tác nhân hấp thụ thích hợp, chất này sẽ rút hơi chất lỏng ra và duy trì một áp suất hơi thấp giúp sự bốc hơi xảy ra xa hơn. Nếu chất lỏng được bơm được bổ sung từ một khoang chứa, các lực mao dẫn sẽ đảm bảo rằng chất lỏng được bơm liên tục qua những vi kênh cũng giống như nó bay hơi ở đầu bên kia vào các khoang chứa hấp thụ. Tuy bơm bị nhược điểm là phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và hoạt động chỉ bằng cách hút, nhưng nó là một kỹ thuật rất đơn giản để vận chuyển chất lỏng.