Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ vi lưu (microfluidics) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống xử lý chất lỏng ở thang đo micromet, cho phép phân tích và kiểm soát dòng chảy với thể tích micro hoặc nanolit. Theo báo cáo ngành, các thiết bị vi lưu có khả năng giảm thiểu chi phí, kích thước nhỏ gọn và tăng tốc độ phản ứng nhờ giảm không gian khuếch tán. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, vật lý, hóa học, công nghệ vi chế tạo và sinh học phân tử, đặc biệt trong phân tích enzyme, DNA và proteomic.

Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống kênh vi lưu tích hợp cảm biến vi hạt trong dòng chảy chất lỏng dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh in 3D, đồng thời xây dựng quy trình chế tạo và thiết lập hệ thống đo đạc cho cảm biến. Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng công nghệ in 3D Inkjet để chế tạo khuôn mẫu kênh vi lưu bằng vật liệu polymer PDMS, vật liệu phổ biến trong lĩnh vực y sinh do tính tương thích sinh học cao và khả năng chế tạo linh hoạt.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2019, với các thử nghiệm chế tạo kênh vi lưu đơn kênh và kênh chữ Y, kích thước kênh từ 100 µm đến 600 µm. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển phương pháp chế tạo nhanh, tiết kiệm chi phí và nâng cao độ chính xác trong sản xuất thiết bị vi lưu tích hợp cảm biến, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ vi lưu trong y sinh và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ vi lưu (Microfluidics): Xử lý và điều khiển dòng chảy chất lỏng ở kích thước micromet, với các thành phần chính gồm lối vào (Inlets), lối ra (Outlets) và buồng phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy bao gồm sức căng bề mặt, sức cản chất lỏng và lưu lượng dòng chảy.

  • Vật liệu chế tạo vi lưu: Ưu tiên sử dụng polymer PDMS do tính tương thích sinh học, dễ chế tạo và khả năng liên kết mạnh với thủy tinh. PDMS có tính đàn hồi, thích hợp cho các cấu trúc nhiều lớp và tích hợp van, bơm trên chip.

  • Cảm biến điện dung vi sai: Cảm biến sử dụng cấu trúc ba điện cực coplanar để đo sự thay đổi điện dung khi vật thể (bọt khí) đi qua kênh vi lưu. Điện dung được tính theo công thức:

$$ C = \frac{2 \varepsilon_0 \varepsilon_r l}{\pi} \ln \left(1 + \frac{w}{a} + \sqrt{1 + \left(\frac{w}{a}\right)^2} \right) $$

với $\varepsilon_0$ là hằng số điện môi chân không, $\varepsilon_r$ hằng số điện môi môi trường, $l$ chiều dài điện cực, $w$ chiều rộng điện cực, và $a$ nửa khoảng cách giữa các điện cực.

  • Công nghệ in 3D Inkjet: Phương pháp tạo mẫu nhanh bằng cách phun nhựa quang hóa dạng lỏng và đóng rắn bằng tia UV, cho phép chế tạo các cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao (độ dày lớp in khoảng 16 micron, độ phân giải 0.1 mm).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ quá trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm kênh vi lưu tích hợp cảm biến tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN.

  • Phương pháp chọn mẫu: Thiết kế mô hình kênh vi lưu đơn kênh và kênh chữ Y với kích thước chiều rộng 200 µm, chiều cao từ 100 µm đến 600 µm, khoảng cách điện cực 200 µm. Mẫu được chế tạo bằng công nghệ in 3D Inkjet sử dụng vật liệu photopolymer Rigur RGD450.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng phân bố điện thế và điện dung bằng phần mềm COMSOL Multiphysics sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Thực nghiệm chế tạo khuôn mẫu bằng máy in 3D Connex3 Objet500, đúc kênh dẫn PDMS, gắn kết kênh với bản mạch PCB tích hợp cảm biến điện dung. Hệ thống đo lường sử dụng bơm vi lưu, mạch khuếch đại vi sai và thu thập dữ liệu qua NI-DAQ, phân tích bằng LabVIEW.

  • Timeline nghiên cứu: Thiết kế và mô phỏng (tháng 1-3/2019), chế tạo khuôn mẫu và kênh vi lưu (tháng 4-6/2019), tích hợp cảm biến và thiết lập hệ thống đo (tháng 7-8/2019), thử nghiệm và phân tích kết quả (tháng 9/2019).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo khuôn mẫu bằng công nghệ in 3D Inkjet: Khuôn mẫu đơn kênh và kênh chữ Y được in thành công với vật liệu Rigur RGD450 có độ bền và độ ổn định kích thước cao. Vật liệu này có mô đun đàn hồi từ 1700 đến 2100 MPa, độ giãn dài khi đứt gãy 20-35%, phù hợp cho các cấu trúc vi mô.

  2. Kích thước kênh vi lưu sau chế tạo: Kích thước chiều rộng kênh đo được trung bình khoảng 290 µm, sai số +90 µm so với thiết kế 200 µm do giãn nở nhiệt của vật liệu trong quá trình ủ nhiệt ở 65-70°C. Chiều cao kênh đạt đúng thiết kế 100 µm (đơn kênh) và 600 µm (kênh chữ Y).

  3. Tích hợp cảm biến điện dung: Đế PCB tích hợp cặp điện cực coplanar kích thước 200 µm được phủ lớp PDMS mỏng (30-100 µm) để cách ly và gắn kết với kênh dẫn. Chip vi lưu hoàn chỉnh cho thấy khả năng phát hiện bọt khí trong dòng chảy thông qua tín hiệu điện dung vi sai.

  4. Hiệu suất cảm biến: Tín hiệu đầu ra thay đổi rõ rệt khi bọt khí đi qua vùng cảm biến, với các thử nghiệm ở tốc độ bơm 80 µl/min và 163 µl/min cho thấy độ nhạy cao và khả năng phát hiện ổn định.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng phân bố điện thế và điện dung bằng COMSOL cho thấy sự thay đổi rõ ràng khi bọt khí đi qua kênh, khẳng định tính khả thi của thiết kế cảm biến điện dung vi sai. Việc sử dụng công nghệ in 3D Inkjet giúp rút ngắn thời gian chế tạo khuôn mẫu, giảm chi phí và tăng độ chính xác so với phương pháp quang khắc truyền thống.

Sai số kích thước kênh vi lưu chủ yếu do đặc tính vật liệu photopolymer Rigur RGD450 và quá trình ủ nhiệt, điều này cần được tính toán và điều chỉnh trong thiết kế để đảm bảo độ chính xác cao hơn. Việc tích hợp cảm biến điện dung trên bản mạch PCB với lớp phủ PDMS mỏng tạo điều kiện cách ly điện tốt và gắn kết chắc chắn, tuy nhiên quá trình bonding thủ công còn hạn chế về kiểm soát chất lượng và khả năng chịu áp lực.

So sánh với các nghiên cứu khác, việc ứng dụng công nghệ in 3D Inkjet trong chế tạo thiết bị vi lưu tích hợp cảm biến cho thấy ưu thế vượt trội về tốc độ và chi phí, đồng thời duy trì độ nhạy và độ chính xác trong phát hiện dòng chảy và bọt khí. Kết quả này mở ra hướng phát triển thiết bị vi lưu tích hợp cảm biến đa chức năng, ứng dụng trong y sinh, hóa học và công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế khuôn mẫu: Cần điều chỉnh kích thước thiết kế để bù trừ sai số giãn nở nhiệt của vật liệu photopolymer, đảm bảo kích thước kênh vi lưu đạt chuẩn thiết kế với sai số dưới 5%. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm.

  2. Cải tiến quy trình bonding: Áp dụng phương pháp bonding tự động hoặc sử dụng công nghệ plasma để tăng độ bền kết dính giữa kênh PDMS và bản mạch PCB, nâng cao khả năng chịu áp lực và độ ổn định của chip vi lưu. Thời gian thực hiện: 4 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

  3. Phát triển cảm biến đa chức năng: Mở rộng thiết kế cảm biến điện dung tích hợp thêm các loại cảm biến quang học hoặc siêu âm để tăng khả năng phát hiện đa dạng các đối tượng trong dòng chảy, nâng cao ứng dụng trong y sinh và công nghiệp. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu điện tử và vi cơ điện tử.

  4. Ứng dụng trong phân tích sinh học: Triển khai thử nghiệm thiết bị trong các ứng dụng phân tích enzyme, DNA hoặc proteomic để đánh giá hiệu quả thực tế, đồng thời thu thập dữ liệu để cải tiến thiết kế. Thời gian thực hiện: 6-9 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm sinh học phân tử và công nghệ vi lưu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu công nghệ vi lưu: Luận văn cung cấp phương pháp thiết kế, mô phỏng và chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến bằng công nghệ in 3D Inkjet, giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu.

  2. Kỹ sư phát triển thiết bị y sinh: Thông tin về vật liệu PDMS, quy trình đúc khuôn và bonding chip vi lưu hỗ trợ phát triển các thiết bị lab-on-chip ứng dụng trong phân tích sinh học và y học tái sinh.

  3. Chuyên gia công nghệ in 3D: Nghiên cứu chi tiết về ưu nhược điểm các phương pháp in 3D phổ biến, đặc biệt công nghệ Inkjet, giúp lựa chọn công nghệ phù hợp cho sản xuất thiết bị vi lưu và các ứng dụng công nghiệp khác.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật điện tử, vi cơ điện tử: Luận văn trình bày rõ ràng về thiết kế cảm biến điện dung vi sai, mô phỏng bằng COMSOL và thực nghiệm tích hợp cảm biến, là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ in 3D Inkjet có ưu điểm gì so với các phương pháp in 3D khác?
    In 3D Inkjet cho phép in nhiều vật liệu và màu sắc trên cùng một sản phẩm với độ chính xác cao (độ dày lớp in 16 micron), bề mặt nhẵn và khả năng tạo các thành siêu mỏng phức tạp. So với SLA hay FDM, Inkjet có chất lượng bề mặt tốt hơn và linh hoạt hơn trong vật liệu.

  2. Tại sao chọn vật liệu PDMS cho kênh vi lưu?
    PDMS có tính tương thích sinh học cao, dễ đúc khuôn, đàn hồi tốt, liên kết mạnh với thủy tinh và có thể tạo các cấu trúc nhiều lớp. Đây là vật liệu phổ biến trong y sinh do khả năng cách ly và chịu được môi trường sinh học.

  3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung vi sai trong kênh vi lưu là gì?
    Cảm biến đo sự thay đổi điện dung giữa hai tụ điện coplanar khi một vật thể (bọt khí) đi qua kênh. Sự khác biệt điện dung tạo ra tín hiệu vi sai, giúp phát hiện chính xác sự xuất hiện của vật thể trong dòng chảy mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

  4. Sai số kích thước kênh vi lưu do đâu và cách khắc phục?
    Sai số chủ yếu do giãn nở nhiệt của vật liệu photopolymer trong quá trình ủ nhiệt. Để khắc phục, cần tính toán bù trừ sai số trong thiết kế CAD và điều chỉnh quy trình nhiệt sao cho phù hợp.

  5. Hệ thống đo lường được thiết lập như thế nào để kiểm tra cảm biến?
    Hệ thống gồm bơm vi lưu hai kênh độc lập để tạo dòng chảy nước và bọt khí, mạch khuếch đại vi sai để thu tín hiệu điện dung, thiết bị thu thập dữ liệu NI-DAQ và phần mềm LabVIEW để phân tích và lưu trữ kết quả.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công kênh vi lưu tích hợp cảm biến điện dung vi sai sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh in 3D Inkjet với vật liệu PDMS.
  • Khuôn mẫu in 3D bằng vật liệu Rigur RGD450 cho độ bền và độ ổn định kích thước phù hợp, tuy có sai số do giãn nở nhiệt cần điều chỉnh trong thiết kế.
  • Hệ thống cảm biến điện dung vi sai cho tín hiệu đầu ra rõ ràng khi phát hiện bọt khí trong dòng chảy, chứng minh tính khả thi của thiết kế.
  • Quy trình chế tạo và hệ thống đo lường được xây dựng hoàn chỉnh, tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về thiết bị vi lưu tích hợp cảm biến đa chức năng.
  • Đề xuất các hướng phát triển như tối ưu thiết kế, cải tiến bonding, mở rộng cảm biến đa dạng và ứng dụng trong phân tích sinh học để nâng cao hiệu quả và phạm vi ứng dụng.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực vi lưu và công nghệ in 3D áp dụng phương pháp và kết quả nghiên cứu này để phát triển các thiết bị vi lưu tiên tiến, đồng thời mở rộng thử nghiệm ứng dụng trong y sinh và công nghiệp.