Tải bản đầy đủ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------

TRẦN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG
CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRONG
KÊNH DẪN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------

TRẦN HOÀI NAM


NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG
CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRONG
KÊNH DẪN
Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Tùng

HÀ NỘI – 2018


i

Lời cảm ơn
Luận văn này là kết quả của quá trình nghiên cứu lý luận và thực tiễn của cá
nhân tác giả dựa trên sự chỉ bảo, hướng dẫn của TS. Bùi Thanh Tùng. Thầy đã không
quản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi chân
thành cám ơn các thành viên trong Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống, Khoa Điện tử
- Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi
trong những bước đầu nghiên cứu về hệ thống vi lỏng trong kênh dẫn. Cám ơn NCS.
Đỗ Quang Lộc và Vũ Quốc Tuấn đã hỗ trợ trong quá trình làm thí nghiệm và đo đạc.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy, cô giáo và bạn bè trong lớp K22 Kỹ
thuật điện tử, Khoa Điện Tử – Viễn Thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học
Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình tôi, cơ quan tôi đang công tác,
những người đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu. Gia đình là động lực cho
tôi vượt qua những thử thách, luôn luôn ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận văn này.


ii

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu
của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ
môn, trong khoa và các bạn bè. Tôi không sao chép các tài liệu hay các công trình
nghiên cứu của người khác để làm luận văn này.
Tất cả các tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều được nêu nguồn gốc
rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc đề
tài khác mà không ghi rõ trong danh mục tài liệu tham khảo.
Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.

Hà Nội, 2018

Trần Hoài Nam


iii
Mục lục
Lời cảm ơn ........................................................................................................................i
Lời cam đoan .................................................................................................................. ii
Mục lục .......................................................................................................................... iii
Danh mục hình vẽ ...........................................................................................................iv
Danh mục bảng biểu .......................................................................................................vi
Danh mục từ viết tắt ..................................................................................................... vii
Tóm tắt luận văn .......................................................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................1
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................................3
1.1. Công nghệ Nano Sinh học ...............................................................................3
1.2. Công nghệ Vi cơ điện tử - MEMS/NEMS ......................................................6
1.3. Chip sinh học và hệ thống vi cơ lỏng ( Biochip and Microfluidics) ...............8
1.4. Vi cảm biến kiểu tụ điện ................................................................................10
1.4.1.
Nguyên lý vi cảm biến tụ điện ...............................................................10
1.4.2.
Vi cảm biến kiểu tụ dạng phẳng ............................................................13
1.5. Điện di điện môi ............................................................................................14
1.6. EGFR và Anti-EGFR[10] ..............................................................................16
Chương 2. LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG ........................................................................18
2.1. Điện dung tụ điện phẳng................................................................................18
2.2. Điện di điện môi - DEP .................................................................................22
2.3. Xử lý tín hiệu điện từ các vi cảm biến cấu trúc điện dung ............................27
Chương 3. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN
VẬT THỂ TRONG KÊNH DẪN..................................................................................34
3.1. Phân tích, lựa chọn cấu trúc cảm biến. Thiết kế, mô phỏng. ........................34
3.1.1.
Mô phỏng phần cứng. ............................................................................37
3.1.2.
Kết quả mô phỏng ..................................................................................38
3.2. Thiết kế mạch điều khiển tập trung tế bào. ...................................................43
3.2.1.
Thiết kế giao tiếp module AD9850 .......................................................44
3.2.2.
Mạch tạo điện áp âm ..............................................................................47
3.2.3.
Mạch khuếch đại AD8421 với biến trở số AD8400 ..............................47
3.3. Chế tạo và thử nghiệm ...................................................................................52
KẾT LUẬN ...................................................................................................................56
Kết luận......................................................................................................................56
Hạn chế và hướng phát triển......................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................57


iv
Danh mục hình vẽ
Hình 1-1: Đồ hoạ tỷ lệ kích thước vật thể trên thang đo từ 1m đến 1nm. [2] .................4
Hình 1-2: Phạm vi ứng dụng của công nghệ nano sinh học[3] .......................................5
Hình 1-3: Thang phân chia kích thước làm việc từng lĩnh vực [internet] .......................7
Hình 1-4: Các thành phần của thiết bị MEMS/NEMS ....................................................8
Hình 1-5: Hình ảnh kênh dẫn của hệ thống vi lỏng công bố trên mạng ..........................9
Hình 1-6: Cấu trúc cảm biến AND dạng răng lược[4] ..................................................12
Hình 1-7: Cấu trúc cảm biến Viện Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam .....................13
Hình 1-8: Mô hình cấu trúc Anti-EGFR cho phát hiện tế bào[10]................................17
Hình 2-1: Cấu trúc mặt cắt cảm biến tụ phẳng coplanar[12] ........................................21
Hình 2-2: Lực DEP lên hạt đặt trong điện trường không đồng nhất.[17] .....................23
Hình 2-3: Mạch nguyên lý điều khiển tế bào[17] .........................................................25
Hình 2-4: Minh hoạ mô hình hạt vỏ đơn[17] ................................................................26
Hình 2-5: Đồ thị phụ thuộc giữa tần số trường điện và lực DEP[17] ...........................27
Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2V .......................................................28
Hình 2-7: Mạch nguyên lý tạo nguồn tuyến tính...........................................................29
Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2F ........................................................30
Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2I .........................................................30
Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2PW ..................................................32
Hình 2-11: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2D .....................................................33
Hình 3-1: Đồ thị quan hệ tỉ lệ biểu thức logarit theo w/a ..............................................36
Hình 3-2: Cấu trúc cảm biến tụ điện phẳng ...................................................................37
Hình 3-3: Cài đặt cấu trúc vật lý cảm biến ....................................................................38
Hình 3-4: Kết quả mô phỏng theo bề rộng bản điện cực ..............................................39
Hình 3-5: Đồ thị sự phụ thuộc của điện dung theo bề rộng bản điện cực .....................40
Hình 3-6: Đồ hoạ mô phỏng kết quả giá trị điện dung theo số lượng tế bào ................41
Hình 3-7: Đồ thị sự phụ thuộc của điện tích trên bản điện cực theo số lượng tế bào ...41
Hình 3-8: Đồ hoạ mô phỏng kết quả chênh lệch điện dung theo số lượng tế bào chênh
lệch.................................................................................................................................42
Hình 3-9: Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị chênh lệnh điện dung theo số lượng tế bào
chênh lệch ......................................................................................................................42
Hình 3-10: Sơ đồ khối mạch nguyên lý thiết bị phát tín hiệu .......................................44
Hình 3-11: Sơ đồ chân bo mạch điều khiển phát tần số AD9850 .................................44
Hình 3-12: Mạch nguyên lý bo mạch điều khiển phát tần số AD9850 .........................45
Hình 3-13: Biểu đồ giao thức lập kình điều khiển linh kiện phát tần[20].....................45
Hình 3-14: Tín hiệu tần số phát .....................................................................................46
Hình 3-15: Sơ đồ mạch nguyên lý offset tín hiệu .........................................................46
Hình 3-16: Dạng tín hiệu sau khi qua mạch offset. .......................................................46
Hình 3-17: Mạch tạo điện áp âm -Vcc ..........................................................................47
Hình 3-18: Mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại điều khiển được ............................48


v
Hình 3-19: Biểu đồ giao thức lập trình điều khiển linh kiện trở số [21] .......................49
Hình 3-20: Dạng tín hiệu điều khiển đưa vào cảm biến ................................................49
Hình 3-21: Sơ đồ mạch nguyên lý .................................................................................50
Hình 3-22: Mạch thành phẩm phát tín hiệu AC ............................................................51
Hình 3-23: Kết nối thử nghiệm tín hiệu tần số phát. .....................................................51
Hình 3-24: Kênh dẫn vi lỏng với cảm biến và các bản nối điện cực ............................52
Hình 3-25: Mô hình thử nghiệm cảm biến ....................................................................53
Hình 3-26: Kết quả thí nghiệm lực DEP lên tế bào.......................................................54
Hình 3-27: Kết quả đo thể hiện lối ra thay đổi theo số lượng tế bào đích xuất hiện
trong vùng cảm biến. .....................................................................................................54


vi
Danh mục bảng biểu
Bảng 1-1: Kích thước một số vật thể trong công nghệ nano sinh học [internet] ............3
Bảng 3-1: Bảng đối chiếu giá trị tần số phát và giá trị tần số phát thực tế....................52


vii
Danh mục từ viết tắt
Từ viết tắt
MEMS
NEMS
DNA
HIV
LOC
EP
DEP
EGFR
MST
IC/Chip
AC
DC
VLSI

Nghĩa tiếng việt
Hệ thống cơ – điện kích thước
micromet.
Hệ thống cơ – điện kích thước
NanoElectroMechanical Systems
nanomet.
Phần tử mang thông tin di truyền
Deoxyribonucleic acid
mã hoá
Human immunodeficiency virus Virut suy giảm miễn dịch ở người
Lab-on-chip
Thiết bị thử nghiệm trên chip
Electrophoresis
Điện di
Dielectrophoresis
Điện di điện môi
Epidermal Growth Factor
Thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì
Receptor
Maxwell-stress tensor
Tensor sức căng Maxwell
Integrated circuit
Vi mạch tích hợp
Alternating current
Điện xoay chiều
Direct Current
Điện một chiều
Very Large Scale Intergrated
Tích hợp với quy mô rất rộng
Tiếng anh
MicroElectroMechanical
Systems


viii
Tóm tắt luận văn
Luận văn này trình bày nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một cấu trúc cảm biến vi
cơ lỏng phát hiện tế bào trong kênh dẫn sử dụng tụ điện phẳng kiểu coplanar (tụ điện
với các bản điện cực đồng phẳng với nhau) cấu trúc vòng cung. Cấu trúc cảm biến
được đề xuất bao gồm một cấu trúc tụ điện phẳng hình vòng cung gồm 3 điện cực tạo
thành cặp tụ vi sai với lớp điện môi bao gồm chất lỏng môi trường và tế bào đích. Một
bản cực được cấy các chế phẩm sinh học có đặc tính nhạy cảm với tế bào cần phát hiện
và giữ tế bào lại. Khi số lượng tế bào nhận biết được giữ lại, sẽ làm thay đổi giá trị
điện dung giữa hai bản điện cực, từ đó sẽ thu được kết quả phát hiện có sự hiện diện
của tế bào bệnh hay không và ước lượng số lượng là bao nhiêu thông qua biên độ sự
thay đổi của giá trị điện dung so với điện dung cặp điện cực so sánh. Cấu trúc cảm
biến có chức năng di chuyển tập trung làm giàu các tế bào thông qua một trường điện
từ không đồng nhất có khả năng điều chỉnh được bởi một tín hiệu điện AC có tần số
xác định trong khoảng 10kHz đến 100MHz. Hoạt động của cảm biến được mô phỏng
bằng phương pháp phân tích các phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Comsol
Multiphysics. Kết quả mô phỏng thể hiện sự thay đổi của giá trị điện dung theo sự thay
đổi của giá trị bản điện cực và số lượng tế bào phát hiện. Một mạch phát tín hiệu tần số
AC được chế tạo kèm theo cấu trúc cảm biến mục đích chế tạo môi trường điện từ
không đồng nhất để định hướng của các tế bào trong kênh dẫn, tăng khả năng phát
hiện của cấu trúc cảm biến.


1

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ nano sinh học (nanobiotechnology / nano–biotechnology /
nanobiotech) được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, phổ biến nhất là trong nghiên cứu
về di truyền học, tế bào, các vật chất có kích thước cực nhỏ phát triển trong các ngành
y sinh, nông nghiệp, kiểm nghiệm thực phẩm dùng để nghiên cứu về độc chất, chất
đạm, hóa sinh để phát hiện các loại vi trùng, tế bào gây bệnh, xuất hiện trong thức ăn,
nước uống và trong cơ thể con người hay phát hiện nhanh các tác nhân trong chiến
tranh hóa - sinh học. Trong đó, nổi bật là sử dụng chip sinh học trong chẩn đoán và
điều trị bệnh, phát triển thuốc mới.
Biochip (Chip sinh học) là một thuật ngữ kỹ thuật mới trong công nghệ nano sinh
học miêu ta cho các thiết bị cho phép phát hiện nhanh những căn bệnh nguy hiểm và
các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà những phương pháp chụp, chiếu thông
thường không thể phát hiện được để theo dõi được các tác động của chất đạm đối với
các tế bào, chất đạm khác và ADN… trong cơ thể con người, từ đó tìm ra nguyên nhân
dẫn tới bệnh tật và cách điều trị bệnh cho con người. Biochip sẽ thay đổi toàn bộ các
phương pháp nghiên cứu hiện nay trong lĩnh vực tìm kiếm các loại thuốc trị bệnh do
thời gian nghiên cứu được rút ngắn và giảm chi phí, đặc biệt là các phương pháp chữa
trị thích hợp cho từng bệnh nhân.
Biochip có nhiều loại như chip gene (chip về di truyền), chip chất đạm (chip về
mạch dài các axit amin), chip tế bào, chip mô,… gần giống như chip máy tính với các
cấu trúc mạch điện tử, điểm đặc biệt là biochip có các phân tử sinh học được phân bố
trên một đế vật liệu bằng thủy tinh, hay nhựa hoặc silicon. Cũng giống như chip máy
tính có thể thực hiện hàng triệu phép tính trong một giây, một biochip có thể thực hiện
hàng ngàn phản ứng sinh học (ví dụ như giải mã gene) chỉ trong vài giây. Với những
tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, sự kết hợp giữa điện tử và sinh học
đã tạo ra những biochip giúp biến phản ứng sinh học thành các tín hiệu điện tử, mở ra
nhiều ứng dụng kỳ diệu cho cuộc sống con người[1].
Bên cạnh đó, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, công nghệ vi điện
tử, khả năng tích hợp và chế tạo linh kiện vi hệ thống nói chung và các hệ vi cơ lỏng
nói riêng trở nên dễ dàng hơn. Đây cũng là cơ sở để phát triển các phòng thí nghiệm
trên chip (lap-on-chip) cho phép tích hợp các chức năng như lấy mẫu, bơm mẫu và
phân tích, hiển thị kết quả.


2
Vài năm trở lại đây, khả năng ưng dụng kỹ thuật vi cơ lỏng để nhận biết các tác
nhân sinh học đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do những ưu thế mà kỹ
thuật này mang lại như giảm tiêu thụ các tác nhân phản ứng do kích cỡ vi kênh và tăng
độ nhạy nhờ việc tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và tăng sự phân bố vật thể trong cùng
một thể tích chất lỏng khi kích cỡ các kênh giảm xuống kích thước micromet và
nanomet.
Công nghệ vi cơ lỏng (Microfluidic) là một lĩnh vực mới thú vị của khoa học và
kỹ thuật cho phép phân tích kiểm soát trên quy mô rất nhỏ và thiết bị nhỏ gọn, tiết
kiệm chi phí, hiệu quả hơn hệ thống thông thường khác. Chúng có khả năng đáp ứng
nhu cầu của các phản ứng tốc độ nhanh bằng cách giảm kích thước các kênh dẫn và
các không gian phản ứng, qua đó giảm không gian khuếch tán. Công nghệ vi cơ lỏng
ứng dụng trong rất nhiều ngành: Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo và
Công nghệ sinh học. Công nghệ này đang từng bước trở thành công nghệ mũi nhọn
cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng (còn được biết
đến với cái tên “phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip” hay “lab-onchip”).
Các cảm biến trên cơ sở hệ vi cơ lỏng có khả năng phát hiện vi rút cúm A, tế
bào ung thư,… Việc sử dụng hệ vi cơ lỏng chắc chắn sẽ mở ra những hướng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nuôi cấy tế bào, lọc tách các thành phần sinh học,
hóa học…
Đề tài này thực hiện nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một cấu trúc hệ thống cảm
biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn hướng tới các ứng dụng trong lĩnh vực y
sinh học...


3

Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

Công nghệ Nano Sinh học

Trong tự nhiên, các vật thể đều được cấu tạo bởi các hạt có kích thước vô cùng
nhỏ, ở mức độ nanomet. Rất nhiều các hệ cấu trúc sinh học như các virut, phức hợp
chất đạm và màng… có cấu trúc nano. Công nghệ sinh học nghiên cứu vào sự phát
triển và tồn tại của các dạng tế bào và mô đa chức năng ở thực vật, động vật, cũng như
sự ảnh hưởng từ một tế bào sinh vật đến hoạt động của cả hệ thống sinh học.
Bảng 1-1: Kích thước một số vật thể trong công nghệ nano sinh học [internet]
Định nghĩa vật thể

Kích thước đường kính (nm)

Nguyên tử Hidro

0,1

Phân tử cấu thành bởi các nguyên tử 1
Carbon
DNA (Phân tử mang thông tin di truyền)

2

Ống nano

3÷30

Chất đạm (Chất đạm hay phân tử sinh học 5÷50
của các nhóm axit amin)
Hợp chất cao phân tử

10÷20

Trung thể

25

Virut

75÷100

Ty thể

500÷1000

Vi khuẩn

1000÷10000

Tế bào máu trắng

10000

Hình 1-1 mô tả tỷ lệ kích thước các vật thể trên thang đo từ 1m đến 1nm giúp
hình dung trực quan hơn về tương quan độ lớn của các cấu trúc sinh học tồn tại trong
tự nhiên.
Với sự phát triển nhanh chóng và bao gồm nhiều lĩnh vực, công nghệ nano cho
đến nay vẫn chưa có được một định nghĩa thống nhất. Theo cơ quan hàng không vũ trụ
Hoa Kỳ (NASA), công nghệ nano là công nghệ chế tạo ra các cấu trúc, vật liệu, thiết
bị và hệ thống chức năng với kích thước đo bằng nanometer (khoảng từ 1 đến 100nm)
và khai thác ứng dụng các đặc tính độc đáo của những sản phẩm này. Trong khi đó, tổ


4
chức nanotechlonogy Initiative (NNI) lại định nghĩa: “Công nghệ Nano là bất cứ thứ
gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”. Trong cuốn
“Bionanotechnology: lessons from nature”có định nghĩa “Công nghệ nano là các thao
tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử”. Có thể tổng kết lại, công
nghệ nano là ngành công nghệ khoa học, kỹ thuật và thao tác dựa trên các hiểu biết về
các quy luật, hiện tượng, tính chất của cấu trúc vật lý có kích thước đặc trưng ở thang
nano để thực hiện các nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hoá hoặc tính toán đặc biệt.
Vậy, thiết bị công nghệ nano được hiểu là các cấu trúc thiệt bị có khả năng làm
việc với các cấu trúc ở cấp độ nano gồm các nguyên tử, phân tử và được thiết kế chế
tạo sao cho cả hệ thống thực hiện được các chức năng định trước theo nhu cầu và mục
đích chế tạo. Trên cơ sở phân loại hình học, cấu trúc nano có thể là hạt nano, sợi, dây
hoặc ống nano, lớp nano hay màng mỏng nano. Về chức năng, cấu trúc nano có thể
được phân thành:
-

Vật liệu nano như các hạt nano.
Linh kiện nano với các cảm biến nano.
Các cấu trúc nano như các phân tử chất đạm có khả năng tự lắp ráp.

Hình 1-1: Đồ hoạ tỷ lệ kích thước vật thể trên thang đo từ 1m đến 1nm. [2]
Với sự giao thoa trong nghiên cứu và ứng dụng giữa công nghệ nano và công
nghệ sinh học đã tạo ra sự hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý
học và sinh học, ngành công nghệ nano sinh học được ra đời.Có nhiều cách định nghĩa
công nghệ sinh học nano (nanobiotechnology/ nano – biotechnology/ nanobiotech).
Thuật ngữ này có thể được sử dụng để mô tả những vấn đề chung của công nghệ nano
và sinh học. Công nghệ nano sinh học cũng có thể được xem là những ứng dụng công
nghệ nano vào lĩnh vực nghiên cứu sinh học, tìm kiếm dược phẩm và dẫn chuyển
thuốc, các vật liệu nano mới, các thiết bị chẩn đoán, trị liệu giúp loại bỏ các thể ngoại


5
lai khỏi cơ thể, sửa chữa tế bào và mô. Theo định nghĩa của NNI: “Công nghệ nano
sinh học là sự áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và sử dụng hệ
thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano”[internet].
Trên cơ sở công nghệ nano và công nghệ sinh học, các nguyên tử hay phân tử
có thể được thiết kế và ghép lại với nhau để tạo ra một số loại linh kiện có cấu trúc
nano như chip sinh học có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong khoa học sự sống, đặc biệt
trong y – dược.

Hình 1-2: Phạm vi ứng dụng của công nghệ nano sinh học[3]
Trên thế giới, các bài báo khoa học về công nghệ nano xuất hiện từ giữa thập kỷ
90. Từ đó đến nay, số lượng hồ sơ đăng ký bảo hộ sáng chế trong lĩnh vực công nghệ
nano tăng rất mạnh từ 531 bằng sáng chế năm 1995, sau 6 năm đã có 1976 bằng sáng
chế trong năm 2001 với những khoản tiền đầu tư vô cùng lớn, trong các năm 20112015 đã lên tới một nghìn tỷ đô la mỹ[2]. Điều này chứng tỏ tính hấp dẫn và giá trị
ứng dụng to lớn của ngành khoa học này. Phạm vi ứng dụng của công nghệ sinh học
nano rất rộng, từ lĩnh vực y học, dược phẩm, sinh học, tới các ngành công nghiệp thực
phẩm và nông nghiệp.
Trong lĩnh vực sinh học và y tế, công nghệ sinh học nano được ứng dụng để
nghiên cứu bộ di truyền học, tin sinh học, tìm kiếm và sàng lọc dược phẩm, tế bào…
Đối với y học, một trong những lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của công nghệ sinh
học nano, các vấn đề chính bao gồm: Tái sinh mô, nuôi cấy và tái tạo các cơ quan, các
hệ thống dẫn chuyển và hướng đích dược phẩm. Đặc biệt, các hệ thống dẫn chuyển và
hướng đích dược phẩm trên cơ sở công nghệ nano ngày càng được quan tâm nghiên
cứu và đưa vào ứng dụng, bởi vì trên thực tế hầu hết dược phẩm không chỉ có các tác


6
dụng dược lý hữu ích mà còn có những tác dụng phụ. Các hệ thống này bao gồm
những hạt nano có chức năng điều khiển dược phẩm tác động trực tiếp và tế bào đích
và không gây ảnh hưởng đến các tế bào xung quanh.
Trong lĩnh vực dược phẩm, công nghệ nano sinh học cùng với ngành hóa học
đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ của mảng tìm kiếm dược phẩm. Những triển vọng mới
của công nghệ dược phẩm đã mở ra cùng với sự ra đời và phát triển của công nghệ
DNA chip (DNA – phần tử mang thông tin di truyền). Chẳng hạn, trong trường hợp
ung thư thể tăng sinh tế bào lympho B, hầu hết bệnh nhân ban đầu phản ứng rất tốt đối
với phương pháp trị liệu chuẩn. Sau đó, hơn một nửa những trường hợp này nhanh
chóng chuyển sang tình trạng nguy kịch. Một vài năm trước đây, các nhà điều trị
không có cách nào để phát hiện các bệnh nhân thuộc nhóm có nguy cơ rủi ro cao này
để điều trị tích cực. Gần đây, công nghệ sinh học cho phép các nhà nghiên cứu phân
biệt giữa các nhóm bệnh nhân có thể chống lại bệnh tật trong một thời gian dài và
ngắn dựa trên sự khác biệt tổng thể của các hoạt động liên quan đến hàng trăm gene
(trình tự của phần tử mang thông tin di truyền được mã hoá cho một phân tử có chức
năng riêng biệt) trong các tế bào khối u của họ vào thời điểm chẩn đoán. Thành tựu
này là cơ sở để đưa ra thử nghiệm chẩn đoán các bệnh nhân có nguy cơ cao.
Trong các ngành công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp, công nghệ nano sinh
học được ứng dụng để bảo quản thực phẩm, chế tạo các màng nhựa tổng hợp nano có
thể phân hủy sinh học, trong các kỹ thuật siêu lọc…
1.2.

Công nghệ Vi cơ điện tử - MEMS/NEMS

MEMS/NEMS (Hệ thống cơ – điện kích thước micromet/Hệ thống cơ – điện
kích thước nanomet) là công nghệ vi chế tạo các linh kiện điện và không điện chủ yếu
dựa trên công nghệ vi chế tạo phổ biến hiện nay. Các chi tiết cơ học và linh kiện điện
được tiểu hình hóa và chế tạo dựa trên một số kỹ thuật đặc biệt như: ăn mòn ướt (wet
etching), ăn mòn khô (dry etching),…trên một nền vật liệu là chất bán dẫn. Với sự kế
thừa của công nghệ chế tạo IC, công nghệ MEMS/NEMS cho phép chế tạo hàng loạt
các sản phẩm trong một quy trình và khả năng tích hợp với cá linh kiện điện tử trên
một đế vật liệu bán dẫn nhỏ. Công nghệ MEMS/NEMS có phạm vi ứng dụng rộng lớn
và được sử dụng trong cuộc sống hằng như ứng dụng trong: điện thoại di động, thiết bị
cầm tay cá nhân, ô tô, thiết bị y tế,… Ngày nay, công nghệ MEMS/NEMS vẫn đang
tiếp tục phát triển với các kỹ thuật mới và định hướng kết hợp nhiều lĩnh vực khác
nhau như: điện tử, cơ học, sinh học, y tế, quang học,…


7
Thiết bị MEMS/NEMS có phương thức giao tiếp bằng cả tín hiệu điện và
không điện, đồng thời tương tác với hệ thống vật lý cũng như với hệ thống điện bằng
cách kết hợp xử lý tín hiệu với các bộ cảm biến. MEMS/NEMS không chỉ bao gồm
các thành phần điện mả còn có các phần tử cơ học, mà một số có thể chuyển động
được như: cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ... Các thiết bị
MEMS/NEMS được thiết kế dựa trên các kỹ thuật VLSI và cấu trúc cơ khí phần cứng.
Cũng giống như các IC, MEMS cũng hướng tới kích thước nhỏ hơn, tốc độ cao hơn,
nhiều chức năng hơn, linh hoạt hơn và rẻ tiền hơn, hình 1-3 trình bày kích thước điển
hình của linh kiện MEMS/NEMS khi so sánh với các đối tượng khác.

Hình 1-3: Thang phân chia kích thước làm việc từng lĩnh vực [internet]
Những thành phần điện được cấu tạo bằng cách sử dụng công nghệ của mạch
tích hợp. Những thành phần cơ học lại được cấu tạo từ công nghệ vi cơ trên tấm đế
bằng vật liệu silics với các lớp cấu trúc mới khác nhau để hình thành nên những thiết
bị cơ và cơ điện tử. Điểm đặc biệt và cơ bản của công nghệ MEMS/NEMS đó là tận
dụng được đặc tính cơ học của vật liệu silics để tạo ra những cấu trúc cơ học chuyển
động kết hợp với các yếu tố vi điện tử, điều này đã tạo ra những thế hệ sản phẩm công
nghệ mới.
Cấu trúc cơ bản của MEMS bao gồm vi cấu trúc; vi mạch điện tử; vi cảm biên
và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chip như trình bảy trên hình 1-4.


8

Hình 1-4: Các thành phần của thiết bị MEMS/NEMS
Các thiết bị MEMS/NEMS này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm
vi kích thước cực nhỏ và thông qua hệ vi điện tử và vi chấp hành sẽ tác động lại môi
trường xung quanh.
Công nghệ vi cơ với các linh kiện ban đầu được ứng dụng làm các đầu đo áp
suất, thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống. Cùng với sự phát triển của công nghệ thì
công nghệ MEMS/NEMS không còn bó hẹp trong các loại cảm biên cơ mà còn được
ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực cảm biến khác: cảm biến nhiệt; cảm biến từ;
cảm biến quang; cảm biến hóa; cảm biến sinh học… Ngoài ra,các linh kiện MEMS
còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống chấp hành, các hệ thống điều khiển tự
động ...
1.3.

Chip sinh học và hệ thống vi cơ lỏng ( Biochip and Microfluidics)

Những nghiên cứu trong công nghệ sinh học thường đòi hỏi một số lượng khá
lớn những trang thiết bị và phòng thí nghiệm, cụ thể là những phân tích DNA, những
nghiên cứu về các loại thuốc, những trang thiết bị thu thập thông tin về người bệnh với
đòi hỏi phải khống chế và điều khiển được dòng chảy của chất lỏng mẫu. Nhu cầu sử
dụng thường xuyên và liên tục đòi hỏi những thiết bị này phải nhỏ gọn, tiện dụng và
có thế mang ra khỏi các phòng thí nghiệm. Chính vì lẽ đó mà xu hướng “càng nhỏ
càng tốt” đang dần biến đổi “thế giới lỏng” theo một cuộc cách mạng tương tự như
cuộc cách mạng về công nghiệp điện tử khi các linh kiện bán dẫn chủ động ra đời. Để
đáp ứng được nhu cầu trong vấn đề trên, một kỹ thuật hàng đầu trong lĩnh vực này
được nghiên cứu chế tạo đó là các chip sinh học. Biochip được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực, phổ biến nhất là trong nghiên cứu về gene, trong nông nghiệp, kiểm nghiệm
thực phẩm; dùng để nghiên cứu về chất độc, chất đạm, hóa sinh; phát hiện các loại vi


9
trùng gây bệnh xuất hiện trong thức ăn, nước uống và trong cơ thể con người; hay phát
hiện nhanh các tác nhân trong chiến tranh hóa, sinh học. Trong đó, nổi bật là sử dụng
biochip trong chẩn đoán và điều trị bệnh, phát triển thuốc mới. Biochip cho phép phát
hiện nhanh những căn bệnh nguy hiểm và các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà
những phương pháp chụp chiếu thông thường không thể phát hiện được; theo dõi được
các tác động của chất đạm đối với các tế bào, chất đạm khác và ADN,… trong cơ thể
con người, từ đó tìm ra nguyên nhân dẫn tới bệnh tật và cách điều trị bệnh. Gần giống
như chip máy tính có các mạch điện tử, biochip có các phân tử sinh học được phân bố
trên đế vật liệu bán dẫn bằng thủy tinh hay nhựa hoặc silicon. Cũng giống như chip
máy tính có thể thực hiện hàng triệu phép tính trong một giây, một biochip có thể thực
hiện hàng ngàn phản ứng sinh học chỉ trong vài giây.
Trên thực tế có rất nhiều những nghiên cứu, những ứng dụng trong công nghệ
sinh học cần phải thao tác với dòng chảy của chất lỏng trong những kênh dẫn rất nhỏ,
lĩnh vực này được gọi tên là vi cơ lỏng (Microfluidic), là một trong hai công nghệ nền
tảng của chip sinh học, bên cạnh chip vi dãy phản ứng (Microarray). Lĩnh vực này đòi
hỏi sự nghiên cứu tổng hợp ba vấn đề: nghiên cứu phương pháp mới nhằm chế tạo ra
những hệ thống điều khiển chất lỏng, nghiên cứu những phương pháp tích hợp những
chức năng phức tạp của chất lỏng vào trong một thiết bị, và nghiên cứu về cách thức,
đặc điểm của chất lỏng khi nó chảy trong những kênh dẫn siêu nhỏ. Sự phát triển của
công nghệ vi cơ lỏng đang góp phần tạo ra những phương pháp thí nghiệm mới trong
ngành sinh học cơ bản, ngành khoa học vật liệu và hóa lý.
Hệ thống vi cơ lỏng là một lĩnh vực mới thú vị của khoa học và kỹ thuật cho
phép phân tích kiểm soát trên quy mô rất nhỏ với thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí,
hiệu quả và mạnh hơn hệ thống thông thường khác.
Vi cơ lỏng đã xuất hiện vào đầu những năm 1980 và được sử dụng trong việc
phát triển DNA chip, phòng thí nghiệm trên một công nghệ vi mạch (lab-on-chip),
công nghệ vi nhiệt.v.v…

Hình 1-5: Hình ảnh kênh dẫn của hệ thống vi lỏng công bố trên mạng


10
Vi lưu hay vi cơ lỏng (Microfluidics) là một lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử
dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS/NEMS) và liên quan đến việc kiểm soát dòng
chảy của chất lỏng đo bằng micro, nano, hoặc pico lit. Chất lưu có thể là chất lỏng, khí
trong tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi bơm, vi van và vi lọc.
Những thiết bị vi lưu có thể được chế tạo trên nền chất silics ứng dụng các kỹ thuật có
sẵn của vi điện tử. Những thiết bị này cũng có thể được chế tạo từ vật liệu hữu cơ như
từ nhựa hoặc polyme.
Một thiết bị vi cơ lỏng có thể có một hoặc nhiều kênh với kích thước 1 kênh
nhỏ hơn 1 mm. Chất lỏng thường được sử dụng trong các thiết bị vi cơ lỏng bao gồm
toàn bộ mẫu máu, tế bào vi khuẩn, chất đạm, DNA, hóa chất dùng cho các phản ứng
sinh hóa...
Việc điều khiển dòng chảy của chất lỏng ở những kích thước siêu nhỏ phụ
thuộc nhiều yếu tố khác nhau như: Sức căng bề mặt của chất lỏng, sự mất mát năng
lượng, sức cản chất lỏng…
Công nghệ vi cơ lỏng đòi hỏi sự kết hợp của các ngành Kỹ thuật, Vật lý, Hóa
học, Công nghệ vi chế tạo và Công nghệ sinh học. Công nghệ này đang từng bước trở
thành một công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng vi thể tích
chất lỏng.
Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của thiết bị vi lưu trong kỹ thuật y sinh
học là thiết bị chẩn đoán. Giai đoạn chuẩn bị mẫu trong phân tích đóng vai trò rất quan
trọng, các thiết bị vi lưu có thể được ứng dụng để phân lập các tế bào ra khỏi các hợp
chất khác trong mẫu. Thông thường, các tế bào có thể được tách ra trong chất lưu, dựa
trên kích thước, mật độ điện tích, tính chất tán xạ ánh sáng, và các tính chất kháng
nguyên bề mặt. Phương pháp truyền thống này đòi hỏi các thiết bị đắt tiền bao gồm
máy ly tâm, phân loại tế bào bằng kích thích huỳnh quang, điện di, sắc ký, thiết bị tách
dùng ái lực và dùng từ trường. Các giải pháp vi lưu có thể được được thiết để tích hợp
vào các kỹ thuật nói trên, hoặc hoạt động như một thiết bị độc lập để thực hiện các
nhiệm vụ chuẩn bị mẫu.
1.4.

Vi cảm biến kiểu tụ điện

1.4.1. Nguyên lý vi cảm biến tụ điện
Tụ điện là cấu trúc tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi.
Điện dung là đại lượng vật lý nói lên khả năng tích điện giữa hai bản cực của tụ điện.
Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, hình dạng và môi trường chất
điện môi. Điện dung giữa 2 vật nhiễm điện (hay có thể gọi là bản cực của tụ điện)


11
được xác định là tỷ số giữa điện tích trên vật nhiễm điện và hiệu điện thế giữa hai vật
đó. Điện dung giữa 2 vật i và j có thể được xác định theo công thức:

𝐶𝑖𝑗 =
Trong đó:

𝑄𝑖𝑗
𝑉𝑖 −𝑉𝑗

(1.1)

Cij là điện dung giữa các điện cực i và j;
Qij là điện tích trên điện cực i (cùng giá trị, ngược dấu với điện

tích trên điện cực j) gây ra bởi sự khác biệt điện thế Vi −Vj;
Vi và Vj là điện áp trên điện cực i và j tương ứng;
Nhìn chung, giá trị điện dung có thể được xác định bởi:

𝐶=

𝜀0 𝜀𝑟 𝐴
𝑑

(1.2)

Giá trị điện dung của tụ điện phụ thuộc vào điện trường giữa hai bản điện cực
của tụ. Điện trường này sẽ yếu đi nếu khoảng cách d giữa hai bản tụ tăng và làm cho
giá trị điện dung giữa hai điện cực giảm. Mặt khác, diện tích bề mặt A của điện cực lớn
hơn cho phép tích trữ lượng điện tích tại hai điện cực lớn hơn kéo theo điện dung của
tụ điện cũng lớn hơn. Bên cạnh đó, các điện cực cảm ứng của cảm biến điện dung có
thể có các hình dạng khác nhau. Cấu trúc hình học của điện cực cảm ứng cũng tác
động tới điện trường giữa các điện cực. Trên thực tế, một vài loại điện cực cảm ứng đã
được thiết kế và chế tạo thử nghiệm như thanh trụ, ống trụ, tấm chữ nhật, dây xoáy ốc,
tấm đồng phẳng, tụ hình ống…
Cảm biến điện dung điển hình hoạt động dựa trên sự thay đổi của các thông số
cấu trúc trong tụ điện theo thông số cần cảm biến dẫn đến thay đổi điện dung của nó.
Có nhiều cấu trúc của cảm biến điện dung được thiết kế và chế tạo, trong đó cấu trúc
đơn giản và phổ biến nhất là cấu trúc hai điện cực song song.
Tùy thuộc vào thông số thay đổi của tụ điện mà các cảm biến điện dung có thể
chia ra thành 3 loại chính:
-

-

Cảm biến điện dung loại ε (ε-type): cảm biến điện dung với giá trị A và d
không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất của chất
điện môi, thường sử dụng cho cảm biến đo dịch chuyển, phân tích...
Cảm biến điện dung loại A (A-type): cảm biến điện dung với chất điện môi và
khoảng cách giữa các điện cực (ε và d) không thay đổi, cảm biến hoạt động
dựa trên sự thay đổi diện tích hiệu dụng giữa 2 bản tụ. Cảm biến loại này
thường dùng cho các ứng dụng đo dịch chuyển...


12
-

Cảm biến điện dung loại D (D-type): cảm biến điện dung với giá trị của A và
ε không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi khoảng cách giữa
các điện cực. Loại này thường được sử dụng cho các cảm biến đo khoảng
cách, phát hiện dịch chuyển, phát hiện vật thể...
A, d và ε đại diện cho tiết diện của bản cực, khoảng cách giữa 2 bản cực và lớp

chất điện môi bản điện cực được đặt trong đó.
Với một số phòng thí nghiệm trọng điểm được đầu tư tập trung hiện nay, tại
Việt nam đã có thể chế tạo được các vi cảm biến có kích thước cỡ micro ứng dụng làm
cảm biến sinh học. Bằng kỹ thuật MEMS các điện cực được chế tạo trên
nền Si/SiO2 và bốc hơi Pt tạo thành các linh kiện có cấu trúc nhỏ gọn, đồng đều, ổn
định.
Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung phát triển hệ điện cực cấu trúc răng
lược để chế tạo các cảm biến AND như xác định virus viêm não Nhật Bản, virus cúm
A….

Hình 1-6: Cấu trúc cảm biến AND dạng răng lược[4]
Tại Viện Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam, nhóm nghiên cứu phát triển hệ vi
cảm biến tích hợp, cảm biến chuỗi để chế tạo các cảm biến chất xúc tác xác định
nhanh nồng độ đường trong huyết thanh và cảm biến miễn dịch xác định sớm ung thư
cổ tử cung, HIV, độc chất aflatoxin trong sản phẩm sữa …


13

Hình 1-7: Cấu trúc cảm biến Viện Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam
1.4.2. Vi cảm biến kiểu tụ dạng phẳng
Được thúc đẩy bởi các cấu trúc cảm biến vành khăn hiện có trong các tụ điện
thông thường, các loại cảm biến điện dung coplanar (tụ điện có cản điện cực đồng
phẳng) khác nhau đã được đề xuất trong những năm gần đây. Với nhu cầu về các thiết
bị lab-on-a-chip và nhu cầu thu nhỏ của cảm biến trên cấu trúc phẳng, các cảm biến
điện dung coplanar với các điện cực interdigital (Hai điện cực được chia thành nhiều
bản điệc cực nhỏ được sắp sếp so le trên cùng một bề mặt) được đề xuất là một trong
những cấu hình điện cực định kỳ được sử dụng nhiều nhất. Do cấu trúc độc đáo trong
đó các điện cực cảm biến nằm trong cùng một mặt phẳng, mẫu vật có thể được dễ
dàng cảm nhận hoặc kiểm tra từ một mặt của cảm biến, thay vì trong không gian giữa
các điện cực, phần lớn mở rộng các lĩnh vực ứng dụng của cảm biến điện dung. Bằng
cách sử dụng các kỹ thuật sản xuất tiên tiến, điện cực coplanar có thể được chế tạo rất
chặt chẽ, và một giá trị điện dung tương đối cao có thể được thu được một cách dễ
dàng và ổn định so với các phương pháp thông thường. Tất cả những lợi ích này làm
cho cảm biến điện dung coplanar là một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng trong
việc phát hiện chất lượng thực phẩm, xâm nhập nước, độ ẩm tương đối, và vật chất
dạng hạt...
Trong thời gian qua, một số nghiên cứu đã được hoàn thành để thiết kế và mô tả
các cảm biến điện dung coplanar để đáp ứng các yêu cầu đo khác nhau, trong đó các


14
điện cực chữ nhật thông thường được thay bằng các cấu trúc hình khuyên đồng tâm.
Các cảm biến điện dung coplanar có cấu trúc đồng tâm được nhận định tốt hơn về tính
đối xứng quay, và có vùng cảm ứng lớn hơn.
Bằng cách tạo các cấu trúc của tụ điện trong các tọa độ hình trụ, Chen và nhóm
cộng sự đã xây dựng được công thức xác định được điện dung tụ điện từ điện tích
điểm bằng cách sử dụng phương pháp biến đổi Hankel. Bằng cách chia điện cực thành
các sợi hình tròn và tích lũy sự phân bố điện tích tương ứng, sau đó tính giá trị điện
dung. Các thí nghiệm chứng minh khả năng phát hiện sự xâm nhập của nước trong cấu
trúc tụ điện này. Một mô hình cấu trúc của tụ điện đã được phát triển để mô phỏng tính
khả dụng của cấu trúc cảm biến. Các cấu túc tụ điện đồng phẳng đồng tâm như vậy có
thể được sử dụng cho các ứng dụng nhận biết qua tiếp xúc bề mặt.[5]
Tuy nhiên, nghiên cứu đã đề cập ở trên chỉ tập trung vào một mô hình hiện tại
của tụ điện hình khuyên, bao gồm một đĩa trung tâm bên trong và một vòng ngoài.
Hơn nữa, ứng dụng của chúng được giới hạn trong các đặc tính vật liệu, thay vì đo
lường kích thước hình học. Trong các bài báo, ta lấy được một biểu thức toán học của
điện dung bằng cách giải phương trình Laplace với biến đổi Hankel[6]–[9]. Một mô
hình phần tử hữu hạn của tụ điện được xây dựng và giải quyết để xác nhận kết quả
phân tích này. Trên cơ sở kết quả phân tích, các tham số cấu trúc của một cảm biến độ
nghiêng với các tụ tương đối phân chia được tối ưu, và một thí nghiệm độ nhạy tương
ứng cho thấy tính khả thi và tính hợp lệ của phương pháp phân tích đề xuất. Ở đây sẽ
không đi sâu vào phân tích các bước tính toán học thuật của tác giả mà chỉ áp dụng kết
quả đã được công bố rộng rãi trên các kênh thông tin đại chúng được đưa ra trong các
tài liệu tham khảo từ số [5] đến [9] tại phần danh mục tài liệu tham khảo..
1.5.

Điện di điện môi

Các thiết bị Lab-on-chip (LOC) là các nền tảng vi lỏng có thể xử lý phức tạp về
hóa học và sinh học và phân tích cho nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khoa
học đời sống, thăm dò vũ trụ, công nghiệp quốc phòng, khoa học khí quyển, nghiên
cứu dược phẩm... Thao tác của các hạt trong hệ thống LOC là rất quan trọng trong
nhiều ứng dụng chẩn đoán và lâm sàng như nhận biết, phân loại, tách và mô phỏng,
mô tả, làm sạch tế bào, virut, hạt nano, vi hạt và chất đạm. Để thao tác các hạt, nhiều
kỹ thuật đã được phát triển để sử dụng trong các hệ thống vi mô như nhíp quang, điện
từ , phương tiện âm thanh và các phương tiện điện. Các lực điện như điện di (EP) và
điện di điện môi (DEP) là giải pháp khả thi trong thao tác các hạt trong thiết bị LOC,
với thuận lợi cho giảm kích thước của hệ thống. EP là sự di chuyển của các hạt điện
tích điện trong một điện trường do lực Columbic tác động lên các hạt bởi tính tích điện


15
của chúng. EP thường được sử dụng trong các kỹ thuật tách rời truyền thống và phát
triển tốt như điện di mao mạch để tách DNA, chất đạm,... DEP là sự chuyển động của
các hạt trong một trường điện không đồng nhất do sự tương tác của tính chất hạt lưỡng
cực và các đường sức từ của điện trường. Trong số các phương pháp khác, DEP là một
trong những phương pháp phổ biến nhất cho ứng dụng tương tác hạt trong các hệ
thống vi mô do:
- Khả năng mở rộng thuận lợi.
- Sự đơn giản của thiết bị.
- Khả năng tạo ra cả hai lực âm và dương, ứng dụng được đa số các loại vật
chất.
DEP phụ thuộc vào kích thước và tính chất điện của các hạt và môi trường hoạt
động. DEP được áp dụng ngay cả đối với các hạt không dẫn điện và có thể được tạo ra
bằng cách sử dụng các tín hiệu dòng điện một chiều (DC) hoặc dòng điện xoay chiều
(AC). DC-DEP và AC-DEP đã được thực hiện thành công cho việc thao tác hạt nano.
Thực tiễn chung trong các ứng dụng DC-DEP là trường điện được áp dụng
bằng cách sử dụng các điện cực mở rộng độc lập được đặt ngoài môi trường chứa chất
lưu, và dòng chảy được gây ra bởi điện trường (tức là EOF). Trường điện không thống
nhất được tạo ra bằng các cấu trúc được thiết kế đặc biệt bên trong mạng vi kênh như
các hàng rào điện riêng biệt và các chướng ngại vật, và nó được gọi là iDEP (insulatorbased DEP), không có điện cực bên trong thiết bị. Do đó, các thiết bị này mạnh mẽ,
không xảy ra các phản ứng hóa học và rất đơn giản về chế tạo. Vì các điện cực mở
rộng được sử dụng, nên DC-DEP cần điện áp cao để tạo ra trường điện DEP, dẫn đến
hiệu ứng nhiệt Joule nối tiếp bên trong kênh. Nhiệt độ tăng nghiêm trọng bên trong
kênh dẫn do hiệu ứng nhiệt Joule khi vượt quá giới hạn chấp nhận có thể dẫn đến sự
hình thành bong bóng khí trong kênh dẫn lỏng, có thể làm gián đoạn hoạt động của
thiết bị. Hơn nữa, khi nhiệt độ bị tăng lên (quá 4oC so với nhiệt độ sinh lý của tế bào)
bên trong kênh có thể dẫn tới sự chết tế bào đối với các thí nghiệm trên tế bào động vật
có vú.
Các ứng dụng AC-DEP là một mảng điện cực kim loại (tức là các điện cực bên
trong) được nhúng trong mạng lưới vi kênh. Hầu hết, các điện cực này là các điện cực
phẳng (2-D) (chiều cao của các điện cực trong khoảng vài trăm nm) và được chế tạo
trong thiết bị bằng các kỹ thuật sản xuất phức tạp, thời gian và các kỹ thuật sản xuất
tương đối đắt tiền như quá trình ăn mòn, lắng đọng hơi hoá học và sự bốc hơi chùm tia
điện tử, khắc khô bằng chùm tia ánh sáng… dẫn đến những hệ thống khả thi hơn và


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×