Nghiên cứu ứng dụng quy trình in phun để chế tạo cảm biến sinh học trên đế giấy

Nghiên cứu quy trình in phun trong chế tạo kênh dẫn kỵ nước và cố định chất sinh học trên đế giấy, mở ra hướng đi mới trong công nghệ in.

• Tác giả: Trịnh Quốc Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thị Mỹ Dung
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng quy trình in phun trong chế tạo cảm biến sinh học trên đế giấy
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghệ in phun
• 1.1.1. Giới thiệu về công nghệ in phun
• 1.1.2. Phân loại các kỹ thuật in phun
• 1.1.2.1. Hệ thống in phun liên tục (CIJ)
• 1.1.2.2. Hệ thống in phun theo yêu cầu (DOD )
• 1.1.2.3. Hiện tượng giọt mực vệ tinh
• 1.1.2.4. Ứng dụng của công nghệ in phun trong lĩnh vực sinh học
• 1.1.2.4.1. Ứng dụng trong phân tích và cảm biến các phân tử sinh học
• 1.1.2.4.2. Ứng dụng trong kỹ thuật mô
• 1.2. Cảm biến sinh học vi lỏng trên đế giấy
• 1.2.1. Cảm biến sinh học vi lỏng
• 1.2.2. Một số loại vật liệu được dùng để chế tạo cảm biến sinh học vi lỏng
• 1.2.2.1. Vật liệu vô cơ
• 1.2.2.4. Vật liệu composit
• 1.2.3. Một số phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy
• 1.2.3.1. Phương pháp thủ công (handcrafted)
• 1.2.3.2. Phương pháp cắt/tạo hình (cutting/shapping)
• 1.2.3.3. Sử dụng mặt nạ (masks)
• 1.2.3.4. Phương pháp in (printing)
• 1.2.4. Lắng đọng các chất sinh học lên đế giấy bằng phương pháp in phun
• 1.2.5. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của cảm biến sinh học vi lỏng được chế tạo bằng phương pháp in phun
• 1.2.5.1. Ảnh hưởng của độ nhớt, sức căng bề mặt và kích thước hạt
• 1.2.5.2. Khoảng cách giọt mực (Drop spacing-DS)
• 1.2.5.4. Nhiệt độ đầu in và nhiệt độ đế
• 1.2.5.5. Thế áp vào đầu in
• 1.2.5.6. Ảnh hưởng của độ rộng đường in
• 1.2.6. Tình hình nghiên cứu và phát triến trên thế giới và trong nước
• 1.2.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.2.6.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2.7. Mục tiêu của đề tài
• 1.2.8. Các phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng của đường in
• 1.2.8.1. Kiểm tra kích thước
• 1.2.8.2. Kiểm tra rò rỉ
• 1.2.8.3. Kiểm tra cường độ màu của đường in sinh học
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Vật liệu và thiết bị sử dụng
• 2.1.1. Nguyên vật liệu và hóa chất
• 2.1.2. Bộ nhuộm màu protein
• 2.1.3. Mực in ăn mòn và mực in sinh học
• 2.2. Thiết bị chế tạo
• 2.3. Thiết bị phân tích
• 2.2. Quy trình thực nghiệm
• 2.2.1. In đường kị nước
• 2.2.1.1. Quy trình chế tạo mực in ăn mòn
• 2.2.1.2. Quy trình in phun tạo kênh dẫn kị nước
• 2.2.2. In các vùng sinh học
• 2.2.2.1. Quy trình chế tạo mực in sinh học
• 2.2.2.2. Quy trình in phun mực in sinh học
• 2.2.2.3. Quy trình nhuộm màu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả in đường kị nước trên đế giấy
• 3.1.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đầu in đối đến quá trình in phun mực in ăn mòn
• 3.1.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đế đến chất lượng đường in kị nước
• 3.1.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của số lớp in đối với chất lượng đường in kị nước
• 3.1.4. Khảo sát khoảng cách giọt mực đối với chất lượng đường in kị nước
• 3.2. Kết quả in đường in sinh học trên đế giấy
• 3.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đầu in đối với đường in sinh học
• 3.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đế đối với đường in sinh học
• 3.2.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của số lớp in đối với đường in sinh học
• 3.2.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của khoảng cách giọt mực đối với đường in sinh học
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Kết quả thu được
• 4.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng quy trình in phun trong cảm biến sinh học

Quy trình in phun đã trở thành một công nghệ quan trọng trong việc chế tạo các sản phẩm cảm biến sinh học trên đế giấy. Công nghệ này cho phép in các mẫu vật liệu sinh học với độ chính xác cao, tạo ra các kênh dẫn vi lỏng cần thiết cho cảm biến. Việc ứng dụng quy trình in phun không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả trong việc phát triển các thiết bị cảm biến sinh học.

1.1. Công nghệ in phun và nguyên lý hoạt động

Công nghệ in phun hoạt động dựa trên nguyên lý phun mực qua đầu in, tạo ra các giọt mực nhỏ. Những giọt mực này được điều khiển chính xác để tạo thành các hình dạng mong muốn trên bề mặt đế giấy. Điều này cho phép tạo ra các kênh dẫn vi lỏng với độ chính xác cao.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng đế giấy trong cảm biến sinh học

Đế giấy là một vật liệu nhẹ, dễ dàng xử lý và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng đế giấy trong cảm biến sinh học giúp giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng khả năng tiếp cận của công nghệ này trong các ứng dụng thực tiễn.

II. Thách thức trong việc chế tạo cảm biến sinh học trên đế giấy

Mặc dù quy trình in phun mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc chế tạo cảm biến sinh học trên đế giấy. Các vấn đề như độ bền của mực in, khả năng tương thích với các chất sinh học và độ chính xác trong việc tạo ra các kênh dẫn vi lỏng cần được giải quyết.

2.1. Độ bền và tính ổn định của mực in

Độ bền của mực in là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến sinh học. Mực in cần phải có khả năng chống lại các tác động từ môi trường và các phản ứng hóa học với chất sinh học.

2.2. Khả năng tương thích với chất sinh học

Việc lựa chọn mực in phù hợp với các chất sinh học là rất quan trọng. Mực in cần phải không gây ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của các chất được sử dụng trong cảm biến.

III. Phương pháp chế tạo cảm biến sinh học bằng quy trình in phun

Để chế tạo cảm biến sinh học trên đế giấy, quy trình in phun được áp dụng để tạo ra các kênh dẫn vi lỏng và cố định chất sinh học. Các bước thực hiện bao gồm chuẩn bị mực in, thiết lập thông số in và thực hiện in trên đế giấy.

3.1. Chuẩn bị mực in và chất sinh học

Mực in cần được chuẩn bị với các thành phần phù hợp để đảm bảo tính chất vật lý và hóa học cần thiết. Chất sinh học cũng cần được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính tương thích.

3.2. Thiết lập thông số in phun

Các thông số như nhiệt độ đầu in, độ nhớt của mực in và khoảng cách giọt mực cần được điều chỉnh để đạt được kết quả tốt nhất trong quá trình in.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy quy trình in phun có thể tạo ra các cảm biến sinh học với độ chính xác cao và khả năng phát hiện tốt. Các ứng dụng thực tiễn của cảm biến sinh học trên đế giấy đang ngày càng mở rộng trong lĩnh vực y tế và môi trường.

4.1. Kết quả đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng cảm biến sinh học chế tạo từ quy trình in phun có khả năng phát hiện các chất sinh học với độ nhạy cao, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Cảm biến sinh học trên đế giấy có thể được ứng dụng trong việc phát hiện nhanh các bệnh truyền nhiễm, giúp nâng cao hiệu quả trong công tác chăm sóc sức khỏe.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của công nghệ in phun

Công nghệ in phun trong chế tạo cảm biến sinh học trên đế giấy đang mở ra nhiều triển vọng mới. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, khả năng ứng dụng của cảm biến sinh học sẽ ngày càng được mở rộng, góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ sinh học.

5.1. Tóm tắt những kết quả chính

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng quy trình in phun trong chế tạo cảm biến sinh học, từ đó mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ bền của mực in và khả năng tương thích với các chất sinh học, nhằm nâng cao hiệu quả của cảm biến sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ in phun 1.1 Giới thiệu về công nghệ in phun In phun là kỹ thuật lắng đọng một lượng vật liệu pha lỏng trực tiếp lên trên đế theo một mô hình nhất định bằng cách tạo ra những giọt mực đẩy ra từ các vòi phun. Những loại vật liệu chức năng sẽ được hòa tan hoặc phân tán bên trong dung môi để tạo thành mực in. Vật liệu dùng làm đế cũng rất đa dạng như: vật liệu vô cơ (thủy tinh, silic,.), vật liệu polymer (polydimethylsiloxane, polystyrene, polypropylene, …), vật liệu giấy,. Công nghệ in phun được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đồ họa, điện tử, sinh học,.

Đối với lĩnh vực sinh học, việc chứng minh tính hiệu quả của ứng dụng công nghệ in phun đã được tiến hành trong nhiều thập kỷ qua, trong đó có công trình nghiên cứu của Klebe vào năm 1988 về việc lắng đọng các tế bào sinh học bằng phương pháp in phun [5]. Lịch sử phát triển của công nghệ in phun: Máy in đầu tiên trên thế giới được giới thiệu ở châu Âu vào khoảng những năm 1439 do xưởng in Johannes Gutenberg phát triển. Kỹ thuật được áp dụng tiêu tốn khá nhiều thời gian nhưng do hạn chế về công nghệ, máy in này vẫn tiếp tục được sử dụng trong vòng hàng trăm năm cho đến khi một kỹ thuật in tiên tiến hơn được phát triển vào năm 1883 do Savart giới thiệu. Theo phương pháp của Savart, mực in sẽ được phun ra từ các vòi phun và lắng đọng một cách chính xác lên đế.

Nhờ sự đóng góp của hai nhà khoa học Rayleigh và Plateau vào cuối những năm 1890, kỹ thuật in phun được giải thích một cách rõ ràng hơn về mặt lý thuyết. Đến những năm 1970 thì công nghệ in phun mới xuất hiện trên thị trường. Trong những thập niên đầu tiên, in phun được ứng dụng chủ yếu cho việc đánh dấu sản phẩm trong công nghiệp và in văn bản trên giấy, tuy nhiên gần đây công nghệ in phun còn được sử dụng trong chế tạo pin mặt trời và một số loại cảm biến sinh học, bởi khả năng in với tốc độ cao. Ban đầu, kỹ thuật in phun liên tục (continous inkjet, CIJ) được phát triển đầu tiên.

Đến cuối những năm 1980 đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật in phun theo yêu cầu (drop on demand, DOD), bởi DOD có thể đạt được độ phân giải cao hơn nhiều so với CIJ [6].1: Lịch sử phát triển của công nghệ in phun [6]. So với các phương pháp chế tạo khác, kỹ thuật in mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, chẳng hạn như khả năng tạo mẫu có độ phân giải cao, không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của đế giúp tránh được các sai hỏng không mong muốn, chi phí sản xuất thấp, cho phép lắng đọng vật liệu lên trên nhiều loại bề mặt vật liệu đế khác nhau. Mặc dù công nghệ in phun cho nhiều ưu điểm như đã nhắc ở trên, nhưng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như [7,8]: (1) Chất lượng của mực in yêu cầu phải được kiểm soát chặt chẽ. Việc sử dụng loại mực in có tinh chất (độ nhớt, sức căng bề mặt,…) không phù hợp với máy in làm cho quá trình in phun diễn ra không ổn định, tắc dòng mực khi đang in.

Hơn nữa, việc trong mực chứa nhiều các hạt nano có kích thước lớn không hòa tan dẫn đến sự kết tụ làm tắc nghẽn vòi in phun. (2) Trong ứng dụng với quy mô lớn có tính lặp lại cao, tốc độ quá trình in phun sẽ thấp hơn nhiều so với các phương pháp in sử dụng khuôn.2 Phân loại các kỹ thuật in phun In phun cho phép tạo ra và lắng đọng các giọt mực lên trên bề mặt của đế. Tùy thuộc vào phương pháp phun ra giọt mực, công nghệ in phun được phân loại thành hệ thống in phun liên tục (CIJ) và phun theo yêu cầu (DOD). Sự khác biệt giữa hai kỹ thuật này là ở cách mực in đi ra từ vòi phun [9].

Thông thường, đường kính của giọt mực tạo ra có kích thước từ 10 - 100 µm, tương ứng với thể tích của giọt mực là 2 n 0. Tốc độ của giọt mực khi va chạm với bề mặt đế điển hình là 5 - 8 m.s-1 cho DOD và 10 - 30 m.1 Hệ thống in phun liên tục (CIJ) Trong in phun liên tục, dòng mực in được phun ra liên tục từ hộp mực thông qua các vòi phun. Sự phát triển của kỹ thuật CIJ bắt đầu từ những năm 1960 bởi Sweet ở trường đại học Stanford. Trong in phun CIJ, chất lỏng được đưa ra từ một vòi phun tạo ra một dòng liên tục với các giọt có kích thước và khoảng cách đồng đều nhau với tần số cao, bởi sự dao động của các tinh thể áp điện ( tinh thể piezo).

Do đó, in phun CIJ được ứng dụng rộng rãi trong ứng dụng đồ họa tốc độ cao như sử dụng trong công nghiệp cho việc đánh dấu, nhãn dán,. Bởi vì kỹ thuật CIJ tạo ra các giọt mực có kích thước lớn (khoảng 40μm), do đó độ phân giải khi sử dụng kỹ thuật này cho ra khá thấp so với phương pháp DOD. Ưu đểm của in phun liên tục đó là có thể dùng mực in dễ bay hơi, cho phép làm khô nhanh, độ bám dính phù hợp cho nhiều loại vật liệu đế. Tuy nhiên, có một bất lợi rất lớn đó là kỹ thuật CIJ được xem là một kỹ thuật không thân thiện với môi trường khi sử dụng mực in dễ bay hơi độc.2 minh họa phương thức in giọt mực lên đế bằng phương pháp in phun liên tục.

Các giọt mực được tạo ra liên tục thông qua vòi phun có tinh thể áp điện được điều khiển bởi hệ thống bơm áp lực lớn, chúng được tích điện bởi trường tĩnh điện và được cho đi qua trường lệch hướng để xác định vị trí giọt mực tiếp xúc với mặt đế. Các giọt mực không được tích điện trước đó, sẽ không được in lên bề mặt của đế, và sẽ được tập trung lại và sử dụng cho các quá trình in tiếp theo. Độ phân giải của đường in có thể đạt được khi áp dụng phương pháp này vào khoảng 10 pixel. Ngoài ra còn một phương pháp in phun liên tục khác nhưng lại ít phổ biến hơn, đó là các giọt mực đã được tích điện sẽ được thu lại thông qua ống hút, và sử dụng các giọt chưa tích điện để in lên bề mặt vật liệu 3 n Hình 1.2: Hình ảnh minh họa quá trình in phun sử dụng kỹ thuật CIJ, các giọt mực được tích điện sẽ in trực tiếp lên đế [11].2 Hệ thống in phun theo yêu cầu (DOD ) Kỹ thuật in phun DOD được tạo ra bởi Siemens vào năm 1977.

Trong hệ thống in phun DOD, các giọt mực được đẩy ra từ các vòi phun bởi áp suất tạo ra khi cần thiết. Độ chính xác cao và kích thước giọt nhỏ của máy in phun DOD là những lợi thế chính để tạo mẫu trực tiếp lên trên vật liệu đế. Mỗi đầu in DOD có thể chứa nhiều vòi phun, trong quá trình in mỗi vòi sẽ tạo ra một đường in lên trên đế. Các giọt mực riêng lẻ được đẩy ra từ đầu phun do sự thay đổi áp suất bên trong buồng.

Tùy thuộc vào cách tạo ra xung áp xuất, mà máy in phun theo yêu cầu có thể phân thành 3 loại chính: áp nhiệt, áp điện, tĩnh điện.  In phun áp nhiệt: Trong kỹ thuật in phun áp nhiệt, các giọt mực được tạo ra trong vài micro giây bằng cách làm nóng bộ phận áp nhiệt (điện trở) đặt trong buồng mực. Một dòng điện sẽ điện áp vào bộ phân áp nhiệt đặt trong buồng mực gần với vị trí vòi phun, nhiệt độ ở bên trong buồng mực tăng lên nhanh chóng và đạt đến một một mức nhiệt độ đủ để làm bay hơi mực in, nhằm tạo ra bong bóng khí và đẩy mực ra khỏi vòi in. Khi các giọt mực được đẩy ra thông qua các vòi in, khi đó sẽ xuất hiện một khoảng trống trong buồng mực và nhanh chóng được lấp đầy để sẵn sàng cho việc tạo ra các giọt mực tiếp theo.

Quá trình hình thành giọt mực sẽ được điều khiển thông qua dòng điện áp vào [8,11]. 4 n Nhược điểm của kỹ thuật in phun áp nhiệt là khó có thể điều khiển thể tích của giọt mực tạo ra và quá trình làm bay hơi mực in nhằm tạo bong bóng khí diễn ra trong buồng mực ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mực in nếu sử dụng mực in sinh học (vì các chất sinh học dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao).3: Nguyên lý hoạt động của đầu in phun áp nhiệt [8].  In phun tĩnh điện: Trong phương pháp in phun này, giọt mực phóng ra khỏi vòi phun được thực hiện nhờ lực tĩnh điện, bằng cách áp một điện cực ở vòi phun để hút các điện tích tự do có bên trong mực in chạy ra bề mặt của và sau đó dòng chất lỏng được tích diện được tách ra khỏi đầu máy in phun dưới dạng những giọt nhỏ. Không những vậy phương pháp in phun tĩnh điện còn có thể in các loại mực có độ nhớt cao.4: Hình ảnh minh họa đầu in phun tĩnh điện [8].

5 n  In phun áp điện: Trong kỹ thuật này, các giọt mực được phóng ra nhờ sự biến dạng của vật liệu áp điện khi áp thế vào. Bề mặt bên ngoài của vật liệu áp điện được phủ một lớp dẫn điện nhằm kết nối với dòng điện. Kích thước và tốc độ của các giọt mực được kiểm soát bởi thời gian xung và thế được áp vào. Đối với công nghệ in phun áp điện thì không có hạn chế về loại mực sử dụng.

polymer, dung dịch, huyền phù và các loại vật liệu sinh học đều được sử dụng làm mực in cho phương pháp này. Cùng với đó tuổi thọ của đầu in khá cao giúp giảm giá thành cho thiết bị chế tạo.5: Nguyên lý hoạt động của đầu in phun áp điện [8]. Một số tính chất của máy in phun áp điện:  Tốc độ, kích thước và hình dạng các giọt mực có thể điều chỉnh bằng dạng sóng của thế áp vào các vòi in phun.  Sự hình thành giọt mực và quá trình rơi của giọt mực in có thể quan sát thông qua camera.

 Đầu in có khả năng chịu nhiệt. Kết luận: Về mặt lý thuyết thì cả ba kỹ thuật in phun DOD kể trên đều cho phép nhỏ cẩnn thận giọt mực lên trên bề mặt đế và tiết kiệm lượng mực in sử dụng. Nhưng in phun DOD áp nhiệt cho thấy hiệu quả hơn cho các ứng dụng liên quan đến mực in sinh học.