Đại Học Quốc Gia TP. HCM - Nghiên Cứu Chế Tạo Kênh Dẫn Vi Lỏng Bằng Công Nghệ In Phun Trên Đế Giấy Ứng Dụng Trong Cảm Biến Sinh Học

• Tác giả: Lê Nguyên Ngân
• Người hướng dẫn: GS. Đặng Mậu Chiến
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên Viện Công Nghệ Nano
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo kênh dẫn vi lỏng bằng công nghệ in phun trên đế giấy ứng dụng trong cảm biến sinh học
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về kênh dẫn vi lỏng và linh kiện vi lỏng
• 1.2. Phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy
• 1.2.1. Phương pháp cắt và tạo hình (cutting/shaping)
• 1.2.2. Phương pháp thủ công (handcraft)
• 1.2.3. Phương pháp mặt nạ (mask)
• 1.2.4. Phương pháp in ấn (printing)
• 1.3. Tổng quan về công nghệ in phun
• 1.4. Tổng quan về cảm biến sinh học vi lỏng trên đế giấy
• 1.4.1. Định nghĩa cảm biến sinh học vi lỏng trên đế giấy
• 1.4.2. Cảm biến sinh học trên đế giấy định lượng human chorionic gonadotropin
• 1.4.3. Quy trình xét nghiệm miễn dịch hấp thụ liên kết với enzyme (ELISA)
• 1.4.4. Các kỹ thuật có định lên bề mặt rắn trong ELISA
• 1.4.5. Ứng dụng quy trình xét nghiệm miễn dịch hấp thụ liên kết với enzyme (ELISA) lên cảm biến sinh học trên đế giấy
• 1.4.6. Human chorionic gonadotropin và tầm quan trọng của việc định lượng
• 1.5. Mục tiêu và quy trình thực nghiệm chung của Luận án
• 1.6. Phương pháp thực nghiệm
• 1.6.1. Vật liệu, hóa chất dùng cho các thí nghiệm
• 1.6.2. Các thiết bị thí nghiệm chủ yếu trong Luận án
• 1.6.3. Các quy trình thực nghiệm
• 1.7. Kết quả và thảo luận
• 1.7.1. Kết quả khảo sát mực in dung môi hữu cơ sử dụng trong chế tạo kênh
• 1.7.2. Kết quả khảo sát độ nhớt của mực in dung môi hữu cơ
• 1.7.3. Kết quả đánh giá sức căng bề mặt mực in dung môi hữu cơ
• 1.7.4. Chế tạo rãnh chắn nước trên đế giấy bằng công nghệ in phun áp điện sử dụng thiết bị CeraPrinter X-serie
• 1.7.5. Chế tạo rãnh chắn nước trên đế giấy bằng công nghệ in phun điện thủy động sử dụng thiết bị PSJET-300-V
• 1.7.6. Kết quả khảo sát độ rộng kênh dẫn nước chế tạo bằng phương pháp điện thủy động
• 1.8. Thiết kế cảm biến sinh học sử dụng kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy
• 1.8.1. Lựa chọn phương pháp chế tạo
• 1.8.2. Thiết kế 1 của cảm biến sinh học vi lỏng
• 1.8.3. Thiết kế 2 của cảm biến sinh học vi lỏng (dạng thu nhỏ)
• 1.8.4. Đánh giá tính năng của cảm biến sinh học trên đế giấy
• 1.9. Nội dung nghiên cứu đã thực hiện
• 1.10. Kết quả đạt được - Những điểm mới trong Luận án
• 1.11. Hướng nghiên cứu tiếp theo
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Kênh Vi Lỏng Ứng Dụng Xu Hướng Mới

Ngày nay, linh kiện vi lỏng (hay chip vi lỏng) được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ vật lý, hóa học đến sinh học và y học. Linh kiện vi lỏng bao gồm nhiều kênh dẫn vi lỏng để điều khiển, kiểm soát dòng chất lỏng, kết hợp hóa chất, vật liệu để phân tích, lọc vi hạt hoặc trộn các dòng chất lỏng. Vật liệu giấy có ưu điểm thích hợp cho linh kiện vi lỏng chẩn đoán nhanh: khả năng thấm hút tốt, chi phí thấp, dễ chế tạo và tiêu hủy. Nhu cầu theo dõi sức khỏe tại nhà tăng cao đòi hỏi phát triển linh kiện phân tích dễ sử dụng, thao tác đơn giản, dễ tiêu hủy. Linh kiện phân tích trên đế giấy được xem là sản phẩm phù hợp. Các kênh dẫn vi lỏng là thành phần quan trọng. Hiện có bốn phương pháp tạo kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy: thủ công, cắt/tạo hình, dùng mặt nạ và in ấn. Công...

1.1. Định Nghĩa và Vai Trò của Kênh Dẫn Vi Lỏng trong Linh Kiện

Kênh dẫn vi lỏng là cấu trúc quan trọng trong các linh kiện vi lỏng, giúp điều khiển và kiểm soát dòng chảy của chất lỏng trong phạm vi micro hoặc nano. Vai trò của chúng bao gồm: trộn các chất lỏng, phân tách các thành phần, phản ứng hóa học và vận chuyển mẫu. Thiết kế kênh dẫn vi lỏng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tính năng của linh kiện vi lỏng. Một vài trích dẫn quan trọng từ tài liệu gốc đã nhấn mạnh vai trò trung tâm của kênh dẫn vi lỏng trong công nghệ này.

1.2. Ứng Dụng Đa Dạng của Linh Kiện Vi Lỏng Y Sinh Môi Trường

Linh kiện vi lỏng có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong y sinh, chúng được dùng trong chẩn đoán bệnh, phân tích mẫu sinh học và phát triển thuốc. Trong lĩnh vực môi trường, chúng được dùng để giám sát chất lượng nước và phát hiện chất ô nhiễm. Ứng dụng vi lỏng ngày càng mở rộng nhờ tính linh hoạt, độ chính xác cao và khả năng tự động hóa quy trình.Theo tài liệu gốc, các ứng dụng này giúp cải thiện hiệu quả và giảm chi phí trong nhiều quy trình.

1.3. Vật Liệu Nền cho Vi Lỏng So Sánh Giấy với Các Vật Liệu Khác

Các vật liệu nền phổ biến cho linh kiện vi lỏng bao gồm thủy tinh, silicon, polyme và giấy. Giấy có ưu điểm chi phí thấp, khả năng thấm hút tốt và dễ dàng xử lý. Tuy nhiên, giấy có độ bền cơ học kém hơn so với thủy tinh hoặc silicon. Sự lựa chọn vật liệu nền phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và yêu cầu về hiệu suất, chi phí và khả năng tương thích sinh học. Vật liệu giấy cho vi lỏng đem lại một giải pháp tối ưu cho các ứng dụng không đòi hỏi quá cao về độ bền.

II. In Phun Vi Lỏng Cách Chế Tạo Kênh Dẫn Siêu Nhanh

Công nghệ in phun là phương pháp hứa hẹn để tạo ra kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy. In phun cho phép tạo ra các cấu trúc phức tạp với độ phân giải cao, chi phí thấp và khả năng sản xuất hàng loạt. Các kỹ thuật in phun khác nhau (ví dụ: in phun áp điện, in phun điện thủy động) có thể được sử dụng để in các loại vật liệu khác nhau, bao gồm polyme, kim loại và vật liệu sinh học. Quá trình chế tạo vi lỏng bằng in phun có thể được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao. Đây là một phương pháp công nghệ mới đầy tiềm năng.

2.1. Tổng Quan về Công Nghệ In Phun Áp Điện và Điện Thủy Động

Công nghệ in phun áp điện sử dụng áp lực để đẩy mực ra khỏi vòi phun, trong khi in phun điện thủy động sử dụng điện trường. Cả hai phương pháp đều cho phép kiểm soát chính xác kích thước giọt mực và vị trí đặt. In phun áp điện thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ in cao, trong khi in phun điện thủy động phù hợp cho các vật liệu có độ nhớt cao hoặc độ dẫn điện thấp. Theo tài liệu gốc, cả hai công nghệ này đều có vai trò quan trọng trong việc chế tạo vi lỏng.

2.2. Tối Ưu Hóa Mực In Độ Nhớt Sức Căng Bề Mặt Loại Mực In

Tính chất của mực in ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của kênh dẫn vi lỏng. Độ nhớt, sức căng bề mặt và loại dung môi là các yếu tố quan trọng cần được xem xét. Mực in có độ nhớt quá cao có thể gây tắc nghẽn vòi phun, trong khi mực in có sức căng bề mặt quá thấp có thể lan rộng quá mức trên bề mặt giấy. Lựa chọn loại mực in phù hợp với vật liệu giấy và quy trình in phun là rất quan trọng. Theo tài liệu, việc kiểm soát các thông số này sẽ đảm bảo quá trình in phun diễn ra suôn sẻ.

2.3. Ảnh Hưởng của Các Thông Số In Phun Nhiệt Độ Khoảng Cách Giọt Mực

Các thông số in phun như nhiệt độ đầu in, nhiệt độ đế giấy, khoảng cách giữa các giọt mực và số lớp in ảnh hưởng đến độ rộng và độ dày của kênh dẫn vi lỏng. Tối ưu hóa các thông số này có thể giúp đạt được độ phân giải cao và độ đồng đều tốt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều chỉnh nhiệt độ có thể cải thiện độ bám dính của mực in lên bề mặt giấy. Tài liệu gốc cung cấp các bằng chứng cụ thể về ảnh hưởng của các thông số này.

III. Đế Giấy Vi Lỏng Vật Liệu Tiềm Năng Cho Cảm Biến Giá Rẻ

Đế giấy là vật liệu nền hứa hẹn cho cảm biến sinh học vi lỏng nhờ chi phí thấp, khả năng thấm hút tốt và dễ dàng xử lý. Các loại giấy khác nhau có tính chất khác nhau, vì vậy việc lựa chọn loại giấy phù hợp là rất quan trọng. Các phương pháp xử lý bề mặt giấy có thể được sử dụng để cải thiện tính chất của đế giấy, chẳng hạn như độ bền, khả năng chống thấm nước và tính tương thích sinh học. Cảm biến sinh học trên giấy mang lại tiềm năng lớn cho các ứng dụng chẩn đoán tại chỗ và giám sát môi trường.

3.1. Các Loại Giấy Phù Hợp Nitrocellulose Giấy Lọc và Đặc Tính

Các loại giấy khác nhau có cấu trúc và tính chất khác nhau. Giấy nitrocellulose (NC) có khả năng liên kết protein cao và thường được sử dụng trong cảm biến sinh học. Giấy lọc có khả năng thấm hút tốt và thường được sử dụng để vận chuyển mẫu. Lựa chọn loại giấy phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và yêu cầu về độ nhạy, độ đặc hiệu và độ bền. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng giấy Nitrocellulose (NC) có nhiều ưu điểm nổi trội.

3.2. Xử Lý Bề Mặt Giấy Tăng Độ Bền Chống Thấm Nước Hiệu Quả

Xử lý bề mặt giấy có thể cải thiện tính chất của đế giấy, chẳng hạn như độ bền cơ học, khả năng chống thấm nước và tính tương thích sinh học. Các phương pháp xử lý bề mặt giấy bao gồm phủ polyme, xử lý plasma và liên kết hóa học. Mục tiêu là tạo ra một bề mặt phù hợp cho việc chế tạo kênh dẫn vi lỏng và gắn kết các phân tử sinh học. Có nhiều phương pháp khác nhau để cải thiện khả năng thấm hút.

3.3. Tính Tương Thích Sinh Học của Giấy Yếu Tố Quan Trọng cho Ứng Dụng

Tính tương thích sinh học của đế giấy là yếu tố quan trọng cho các ứng dụng cảm biến sinh học. Giấy phải không gây độc hại cho các tế bào hoặc phân tử sinh học được sử dụng trong cảm biến. Các phương pháp kiểm tra tính tương thích sinh học bao gồm thử nghiệm độc tính tế bào và đánh giá khả năng liên kết protein. Tính tương thích sinh học cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến.

IV. Cảm Biến Sinh Học Giấy Ứng Dụng Chẩn Đoán Nhanh Giá Rẻ

Cảm biến sinh học trên đế giấy kết hợp kênh dẫn vi lỏng để phát hiện các chất phân tích sinh học cụ thể. Các cảm biến này có thể được sử dụng để phát hiện bệnh, giám sát môi trường và kiểm tra chất lượng thực phẩm. Ứng dụng y sinh của cảm biến sinh học trên giấy bao gồm phát hiện bệnh truyền nhiễm, chẩn đoán ung thư và theo dõi sức khỏe cá nhân. Cảm biến sinh học hứa hẹn mang lại các giải pháp chẩn đoán nhanh, giá rẻ và dễ sử dụng.

4.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Cảm Biến Phát Hiện Bằng Điện Hóa Quang Học

Cảm biến sinh học có thể hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau, bao gồm đo lường điện hóa, đo lường quang học và đo lường khối lượng. Trong đo lường điện hóa, sự thay đổi dòng điện hoặc điện áp được sử dụng để phát hiện chất phân tích. Trong đo lường quang học, sự thay đổi màu sắc hoặc độ hấp thụ ánh sáng được sử dụng. Lựa chọn nguyên lý hoạt động phụ thuộc vào chất phân tích và yêu cầu về độ nhạy, độ đặc hiệu. Các kỹ thuật đo lường này đang ngày càng được cải thiện về độ chính xác.

4.2. Phát Hiện hCG Ứng Dụng Cảm Biến Giấy Trong Xét Nghiệm Thai

Việc phát hiện hormone Human Chorionic Gonadotropin (hCG) là một ứng dụng quan trọng của cảm biến sinh học trên giấy. hCG là hormone được sản xuất trong thai kỳ và có thể được phát hiện trong nước tiểu hoặc máu. Cảm biến sinh học trên giấy có thể được sử dụng để thực hiện xét nghiệm thai nhanh chóng và chính xác tại nhà hoặc tại các cơ sở y tế. Độ chính xác và độ tin cậy là các yếu tố quan trọng trong xét nghiệm này.

4.3. Ưu Điểm của Cảm Biến Giấy Chi Phí Thấp Dễ Sử Dụng Tiện Lợi

Các ưu điểm chính của cảm biến sinh học trên giấy bao gồm chi phí thấp, dễ sử dụng, tiện lợi và khả năng tiêu hủy dễ dàng. Cảm biến giấy không đòi hỏi thiết bị phức tạp hoặc kỹ năng chuyên môn, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng tại chỗ hoặc tại nhà. Chi phí sản xuất thấp giúp cho cảm biến sinh học trở nên dễ tiếp cận hơn đối với người dân ở các nước đang phát triển. Đây được coi là một giải pháp tiềm năng cho nhiều vấn đề y tế toàn cầu.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Đánh Giá Hiệu Quả Chế Tạo Kênh Vi Lỏng

Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả của việc chế tạo kênh dẫn vi lỏng bằng công nghệ in phun trên đế giấy. Các kết quả cho thấy rằng in phun có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc vi lỏng phức tạp với độ phân giải cao và độ đồng đều tốt. Đánh giá hiệu quả của cảm biến cho thấy độ nhạy và độ đặc hiệu cao, chứng tỏ tiềm năng của công nghệ này cho các ứng dụng cảm biến sinh học. Các thử nghiệm và phân tích đã được thực hiện để tối ưu hóa quy trình chế tạo vi lỏng và cải thiện hiệu suất của cảm biến.

5.1. Khảo Sát Độ Nhớt Mực In và Ảnh Hưởng Đến Quá Trình In Phun

Nghiên cứu đã khảo sát độ nhớt của mực in và ảnh hưởng của nó đến quá trình in phun. Kết quả cho thấy rằng độ nhớt mực in có ảnh hưởng lớn đến kích thước giọt mực, độ phân giải và độ đồng đều của kênh dẫn vi lỏng. Mực in có độ nhớt quá cao có thể gây tắc nghẽn vòi phun, trong khi mực in có độ nhớt quá thấp có thể lan rộng quá mức trên bề mặt giấy. Việc kiểm soát độ nhớt mực in là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của kênh dẫn vi lỏng.

5.2. Đánh Giá Tính Năng Cảm Biến Độ Nhạy Độ Đặc Hiệu Độ Chính Xác

Tính năng của cảm biến sinh học trên giấy đã được đánh giá bằng cách đo độ nhạy, độ đặc hiệu và độ chính xác. Kết quả cho thấy rằng cảm biến có thể phát hiện chất phân tích với độ nhạy cao và độ đặc hiệu tốt. Độ chính xác của cảm biến cũng được đánh giá bằng cách so sánh kết quả với các phương pháp phân tích khác. Kết quả cho thấy rằng cảm biến sinh học trên giấy có tiềm năng lớn cho các ứng dụng chẩn đoán tại chỗ.

5.3. So Sánh Các Phương Pháp Chế Tạo Ưu Điểm và Nhược Điểm

Nghiên cứu đã so sánh các phương pháp khác nhau để chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy, bao gồm in phun, khắc laser và cắt cơ học. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. In phun có ưu điểm chi phí thấp, khả năng tạo ra các cấu trúc phức tạp và khả năng sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, in phun có thể bị giới hạn bởi độ phân giải và độ đồng đều. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo vi lỏng phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và yêu cầu về hiệu suất, chi phí và độ phức tạp.

VI. Tương Lai Vi Lỏng Giấy Xu Hướng Phát Triển Cảm Biến Sinh Học

Công nghệ vi lỏng trên đế giấy đang phát triển nhanh chóng và hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng mới trong tương lai. Xu hướng phát triển bao gồm việc tích hợp các chức năng phức tạp hơn vào cảm biến sinh học trên giấy, chẳng hạn như phân tích đa kênh và kết nối không dây. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện độ nhạy, độ đặc hiệu và độ bền của cảm biến sinh học trên giấy, cũng như phát triển các quy trình sản xuất quy mô lớn.

6.1. Tích Hợp Đa Chức Năng Phân Tích Đồng Thời Nhiều Chất

Một trong những xu hướng phát triển quan trọng là tích hợp nhiều chức năng vào cảm biến sinh học trên giấy. Điều này cho phép phân tích đồng thời nhiều chất phân tích, giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí. Ví dụ, một cảm biến sinh học có thể được thiết kế để phát hiện đồng thời nhiều loại vi khuẩn hoặc virus. Các thiết kế đa chức năng sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ này.

6.2. Kết Nối Không Dây Giám Sát Từ Xa và Thu Thập Dữ Liệu

Việc tích hợp khả năng kết nối không dây vào cảm biến sinh học trên giấy cho phép giám sát từ xa và thu thập dữ liệu thời gian thực. Điều này có thể được sử dụng để theo dõi sức khỏe cá nhân, giám sát môi trường và kiểm tra chất lượng thực phẩm. Dữ liệu thu thập được có thể được truyền đến điện thoại thông minh hoặc máy tính để phân tích và lưu trữ. Sự kết hợp của vi lỏng và công nghệ không dây mở ra những khả năng mới.

6.3. Ứng Dụng Mới Nông Nghiệp Môi Trường và Y Học Cá Nhân Hóa

Công nghệ vi lỏng trên đế giấy có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mới. Trong nông nghiệp, cảm biến giấy có thể được sử dụng để theo dõi độ ẩm đất và nồng độ phân bón. Trong môi trường, chúng có thể được sử dụng để giám sát chất lượng nước và phát hiện chất ô nhiễm. Trong y học cá nhân hóa, chúng có thể được sử dụng để theo dõi các chỉ số sức khỏe cá nhân và phát triển các phương pháp điều trị phù hợp. Những ứng dụng này sẽ đóng góp vào một tương lai bền vững và khỏe mạnh hơn.