Công nghệ vi lưu (Microfluid) là công nghệ thao tác với các chất lỏng được chứa trong các kênh dẫn rất nhỏ cỡ micromet. Đây là công nghệ có tính liên ngành, là sự kết hợp giữa cơ học chất lỏng, vật lý, hóa sinh, vi điện tử và khoa học vật liệu. Công nghệ vi lưu đang được các nhà nghiên cứu rất quan tâm và chú trọng trong những năm gần đây vì những đặc điểm tối ưu vượt trội của nó như khả năng tạo ra các thiết bị có kích thước nhỏ gọn, yêu cầu thể tích dung dịch nhỏ, giảm thiểu được lượng hóa chất cần sử dụng cũng như hóa chất lãng phí, khả năng tự động hóa, cho ra kết quả phản ứng nhanh cùng với độ chính xác cao, giá cả hợp lí được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ sinh học, chẩn đoán y sinh, tổng hợp hóa học. Trong bài viết này sẽ giới thiệu ngắn gọn về công nghệ vi lưu và khả năng ứng dụng của nó trong việc phát triển kỹ thuật đo độ nhớt của chất lỏng Newton và phi Newton có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, và là thiết bị chẩn đoán bệnh cũng như hỗ trợ quá trình điều trị. Cuối cùng, bài viết đề xuất hướng nghiên cứu phát triển có thể kết hợp công nghệ vi lưu và công việc nghiên cứu hiện tại của phòng công nghệ tích hợp IT-BT.
CÔNG NGHỆ VI LƯU
Công nghệ vi lưu là gì?
Công nghệ vi lưu là công nghệ cho phép thao tác chất lỏng ở quy mô thể tích nhỏ (10-9 - 10-18 lít) sử dụng các buồng (chambers) và kênh dẫn (channels) có kích thước rất nhỏ cỡ micro mét (10 -100 µm). Đây là công nghệ có tính liên ngành, là sự kết hợp giữa cơ học chất lỏng, vật lý, hóa sinh, vi điện tử và khoa học vật liệu. Công nghệ này đặc biệt thích hợp cho những hệ thống yêu cầu thể tích dung dịch nhỏ để đạt được khả năng tự động hóa, phản ứng song song, thời gian phản hồi ngắn, độ phân giải và độ chính xác cao.
Vì các dòng chất lỏng ở trong công nghệ vi lưu hoạt động ở trạng thái thể tích nhỏ, cho nên những dòng chảy này thể hiện những đặc điểm, tính chất khác biệt so với những dòng chất lỏng thông thường ở thể tích lớn như: sức căng bề mặt, sức cản dòng nước chiếm ưu thế và có sự ảnh hưởng tới hoạt động của dòng chất lỏng, cùng với hệ số Reynol thấp, hiện tượng dòng chảy tầng xuất hiện hầu hết trong các dòng chảy ở quy mô này.
Nguyên lý hoạt động của chíp vi lưu
Trong công nghệ vi lưu, hệ thống các buồng, kênh dẫn với kích thước và tiết diện khác nhau được kết nối với nhau gọi là chíp vi lưu. Hệ thống các kênh dẫn này được tạo ra để thực hiện các thao tác với chất lỏng như: di chuyển, trộn, phân chia, phân loại, và các thao tác cần thiết khác để đạt được mục đích mong muốn phản ứng giữa các dòng chất lỏng.
Chíp vi lưu liên kết với hệ thống hệ điều khiển bên ngoài bằng đầu vào và đầu ra qua dây dẫn hoặc đơn giản bởi các lỗ của chíp. Hình 1 trình bày một chíp vi lưu đơn giản, nhỏ gọn, trong suốt gồm các kênh dẫn, đầu vào và đầu ra thực hiện thao tác các chất lỏng khác nhau.
Để chất lỏng trong chip vi lưu có thể hoạt động, có hai loại điều khiển dòng chảy chính: điều khiển thụ động (dùng lực mao dẫn là lực dính ướt của dung dịch, nơi mà chất lỏng có thể tự dâng cao trong vùng không gian hẹp mà không cần ngoại lực) và điều khiển chủ động (dùng bơm: cung cấp chất lỏng một cách liên tục hoặc để định lượng, dùng van: xác định hướng và chế độ di chuyển của chất lỏng).
Hình 1. Minh họa chíp vi lưu
Vật liệu và phương pháp chế tạo
Lựa chọn vật liệu thích hợp để chế tạo chíp vi lưu là một bước rất quan trọng vì ở quy mô kích thước nhỏ, tính chất của vật liệu ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của thiết bị như ảnh hưởng đến nhiệt độ, tỷ lệ surface-to-volume, ảnh hưởng đến lực mao dẫn, tính kị nước hoặc ưa nước của chất lỏng. Một số tính chất khác của vật liệu cũng cần được đặc biệt quan tâm như độ bền, dễ dàng để chế tạo, trong suốt, tương thích sinh học, hóa học.
Có rất nhiều loại vật liệu có thể đáp ứng được những yêu cầu trên và được sử dụng để chế tạo chíp vi lưu bao gồm: kim loại, silicon, kính, polymer, sứ. Mỗi vật liệu có những ưu và nhược điểm riêng. Kim loại (nhôm, đồng, sắt) có ưu điểm vượt trội về chi phí, dễ tiếp cận, dễ chế tạo vì có thể thích hợp với nhiệt độ cao, áp suất cao và hợp chất hóa học độc hại. Silicon là lựa chọn hàng đầu cho chế tạo vi chíp vì tương thích hóa học và sự ổn định nhiệt, có tính chất bán dẫn và dễ dàng chế tạo. Tuy nhiên silicon không thích hợp cho phát hiện quang học ở phổ nhìn thấy được và phổ hồng ngoại. Polymer là vật liệu đặc biệt được chú ý vì tính trong suốt, chi phí chế tạo rẻ. PDMS (Polydimethylsiloxane) là vật liệu phổ biến nhất trong nhóm polymer vì tính trong suốt, tương thích sinh học, tính chất kị nước, và tính đàn hồi. Tuy nhiên, PDMS có tính xốp làm cho nó có khả năng hấp phụ, nhiều phân tử có thể khuếch tán trong vật liệu này.
Như vậy, phương pháp chế tạo chíp vi lưu cần phù hợp với vật liệu được sử dụng. Bên cạnh đó cần đáp ứng được yêu cầu của vi mạch và giá thành sản xuất. Hiện nay, có nhiều phương pháp chế tạo được sử dụng và có thể được phân loại dựa vào quy trình chế tạo: Phương pháp hóa học, phương pháp cơ học, phương pháp in 3D, phương pháp kết hợp.
Phương pháp hóa học thường sử dụng cho silicon và kính bao gồm:
- Khắc nước (wet etching)
- Khắc khô (dry etching)
- Gia công xả điện hóa (Electrochemical discharge machining)
Phương pháp cơ học thường sử dụng cho silicon, kính và polymer:
- Gia công siêu âm (Ultrasonic machining)
- Ép phun (Injection molding)
- In thạch bản mềm (Soft lithography)
Phương pháp in 3D là một phương pháp khá mới nhưng rất thành công trong việc chế tạo chíp vi lưu như đáp ứng được sự chính xác và phức tạp của thiết kế. Phương pháp in 3D bao gồm:
- Multi-jet modeling
- Inkjet printing
- Modeling
Phương pháp kết hợp là giải pháp có thể vượt qua những điểm hạn chế của mỗi phương pháp trên. Ví dụ kết hợp của in 3D và gia công laser có thể loại bỏ được yêu cầu tốn kém của không gian sạch cũng như tăng độ chính xác của thiết kế.
Ứng dụng
Công nghệ vi lưu có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như nghiên cứu sinh học phân tử, theo dõi hóa học, phân loại cell, phân phối thuốc, lĩnh vực y sinh trong phát hiện bệnh.
- Thiết bị phát hiện bệnh (Diagnosis devices): cho phép phân tích nhiều mẫu bệnh phẩm như máu, nước tiểu, nước bọt từ đó có khả năng chẩn đoán các bệnh liên quan như tiểu đường, béo phì, bệnh lây nhiễm virus.
- Môi trường nuôi cấy tế bào (Cell culture media): Công nghệ này có khả năng nuôi cấy tế bào vì thế đã phát tiển nhiều lĩnh vực nghiên cứu liên quan như Organ-on-a-chip, Lung-on-a-chip, Heart-on-a-chip, Tissues-on-a-chip, Kidney-on-a-chip.
- Hệ thống phân phối thuốc (Drug delivery): chíp vi lưu có thể kiểm soát, vận chuyển những lượng thuốc chính xác đến vị trí mục tiêu mong muốn.
- Tổng hợp vật liệu nano (Nanomaterial synthesis): thiết bị vi lưu có thể tổng hợp vật liêu nano với kích thước nhỏ, hình dạng đồng đều, và có khả năng tái tạo.
PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT ĐO ĐỘ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG NEWTON VÀ PHI NEWTON DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI LƯU
Kỹ thuật đo độ nhớt truyền thống
Độ nhớt là thông số đại diện cho ma sát trong dòng chảy. Ở mức độ phân tử, độ nhớt là kết quả của sự tương tác giữa nhiều phân tử khác nhau trong chất lỏng hay sự ma sát giữa các phân tử trong chất lỏng. Độ nhớt sẽ xác định năng lượng cần thiết để tạo ra dòng chảy chất lỏng. Như vậy chất lỏng nào có mật độ phân tử càng cao thì chỉ số nhớt càng cao. Để dễ hình dung, trên hình 2 trình bày cấu tạo phân tử của chất lỏng và lực tác dụng lên chất lỏng.
Hình 2. Cấu tạo phân tử của chất lỏng và lực tác dụng lên chất lỏng.
Độ nhớt động lực học có thể được biểu thị bằng công thức:
Trong đó,
µ: Độ nhớt động lực học của chất lỏng (N.s/m2)
F: Lực trượt tác động lên chất lỏng (N)
: Khoảng cách giữa các lớp chất lỏng(m)
A: Diện tích của lớp chất lỏng (m2)
: Gradient vận tốc (m/s)
: Tốc độ cắt (s-1)
τ: Ứng suất cắt trong của chất lỏng (N/m2)
Độ nhớt được chia làm hai loại:
- Độ nhớt động lực học (dynamic viscosity) thường kí hiệu là m và có đơn vị là Pa.s (hoặc N.s/m2)
- Độ nhớt động học (kinematic viscosity) thường kí hiệu là v và có đơn vị là m2/s
Giữa độ nhớt động học và độ nhớt động lực học có quan hệ là v = m/ρ. Trong đó, ρ là khối lượng riêng (kg/m3).
Dựa vào độ nhớt, chất lỏng được phân thành hai loại chính bao gồm chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton. Chất lỏng Newton là chất lỏng có độ nhớt tuân theo định luật ma sát Newton với độ nhớt là hằng số và không phụ thuộc vào lực tác dụng. Ngược lại với chất lỏng Newton là chất lỏng phi Newton, nơi mà độ nhớt chất lỏng không tuân theo định luật Newton. Với những loại chất lỏng này, độ nhớt không phải là một hằng số, mà thay đổi theo yếu tố lực tác động. Ví dụ nước, mật ong và dầu là chất lỏng Newton và kem đánh răng, bột ngô là chất lỏng phi Newton.
Các kỹ thuật truyền thống được sử dụng để đo độ nhớt của chất lỏng có thể chia làm hai loại chính: phương pháp đo trực tiếp và phương pháp đo gián tiếp.
Phương pháp đo trực tiếp là khi độ nhớt được tính toán trực tiếp từ ứng suất cắt và tốc độ cắt. Có thể hiểu là được tính toán trực tiếp từ công thức tính độ nhớt [1] Máy đo độ nhớt quay (Hình 3a) là một đại diện cho phương pháp đo trực tiếp hoạt đông bằng cách đo mô-men xoắn cần thiết để quay một vật thể trong chất lỏng thử nghiệm. Mô-men xoắn duy trì tốc độ cài đặt tỷ lệ thuận với độ nhớt, đo đó thiết bị có khả năng xác định giá trị ứng suất cắt, tốc độ cắt, và độ nhớt,
Phương pháp đo gián tiếp là khi độ nhớt có thể được đo dựa vào thời gian để một thể tích chất lỏng xác định chảy qua ống mao dẫn hình chữ U có đường kính và chiều dài đã biết (máy đo độ nhớt mao quản (Hình 3b)), hay việc đo thời gian để một quả cầu có mật độ đã biết rơi qua một ống chứa đầy chất mẫu dưới tác dụng của lực hấp dẫn (máy đo độ nhớt hình cầu rơi (Hình 3c)), hay đo thời gian chất lỏng đi qua lỗ được đo và tương quan với độ nhớt thông qua việc sử dụng các biểu đồ được cung cấp cho cốc nhất định (cốc đo độ nhớt (Hình 3d)). Máy đo độ nhớt dao động (Hình 3e) là một phương pháp gián tiếp khác để đo độ nhớt bằng cách nhúng một bộ cộng hưởng điện cơ dao động trong chất lỏng thử nghiệm, và đo mức độ giảm chấn của chất lỏng. Bộ dao động làm cho cảm biến chuyển động và dẫn đến sự cắt của chất lỏng.
Các kỹ thuật đo độ nhớt truyền thống này cho độ chính xác cao. Tuy nhiên vẫn còn một số điểm hạn chế như thiết bị cồng kềnh, chi phí cao, cần nhiều thời gian, và yêu cầu chuyên môn khi sử dụng. Đặc biệt, khi công nghệ nano phát triển, sự cần thiết của việc tích hợp, sử dụng song song các chức năng, khả năng tự động hóa, làm nhỏ kích thước, giảm thiểu lượng hóa chất, cho hiệu quả sử dụng cao với giá thành hợp lý của các thiết bị là rất lớn. Với tầm quan trọng của việc xác định độ nhớt của chất lỏng cùng sự phát triển của công nghệ nano thì công nghệ vi lưu là một xu hướng cho các nhà nghiên cứu phát triển nhớt kế vi lưu.
Hình 3. a) Máy đo độ nhớt quay b) Máy đo độ nhớt mao quản c) Máy đo độ nhớt hình cầu rơi d) Cốc đo độ nhớt e) Máy đo độ nhớt dao động.
Sử dụng sự tương tự của mạch điện và mạch chất lỏng để phát triển nhớt kế trong công nghệ vi lưu
Từ sự đánh giá về nhu cầu cấp thiết của việc ứng dụng công nghệ vi lưu trong việc đo độ nhớt của chất lỏng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Trong thời gian làm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm THIẾT BỊ VI LƯU (Fluid Device Lab.), tại trường Đại học Konkuk, Hàn Quốc. Dưới sự hướng dẫn Giáo sư Kim Sungjin, tôi đã thành công trong phát triển thiết bị vi lưu đo độ nhớt của chất lỏng Newton và phi Newton sử dụng vật liệu PDMS và phương pháp in 3D. Về nguyên lý, thiết bị được thiết kế dựa vào sự tương tự giữa các phần tử trong mạch điện và các phần tử trong mạch nước: điện trở tương tự như các kênh dẫn trong mạch nước, tụ điện được so sánh với một buồng nước có màng đàn hồi, transistor là một van đóng mở dựa vào màng đàn hồi theo áp suất của dòng nước (xem Hình 4). Từ sự tương tự thú vị này, thiết bị vi lưu được mô phỏng, thiết kế và phát triển.
Hình 5. a) sơ đồ cấu tạo nguyên lý của nhớt kế vi lưu b) hình ảnh thực tế tương ứng với từng bộ phận của nhớt kế.
Hình 6. Sự tương tự của mạch điện và mạch nước của các thành phần nhớt kế a) bộ dao động b) bơm đi ốt c) bộ biến trở.
Bộ dao động bao gồm 1 kênh có kích thước rất nhỏ (tương tự điện trở có trở kháng cao trong mạch điện), 2 van (transistor), 2 buồng có màng đàn hồi (tụ điện). Với giá trị áp suất thích hợp cung cấp cho nguồn áp suất vào, áp suất ra, áp suất tham khảo, van có thể mở và đóng liên tục có chức năng cung cấp áp suất xung vuông từ áp suất không đổi.
Bơm đi ốt bao gồm 2 đi ốt và 2 tụ điện có chức năng cho phép dòng chảy theo 1 chiều. Từ sự nối tiếp giữa bộ dao dộng và bơm đi ốt, nguồn áp suất xung vuông là áp suất vào của bơm đi ốt. Sau đó, dưới sự hoạt động của bơm đi ốt có thể cung cấp áp suất tăng dần đều, hoặc giảm dần đều theo từng bước tùy vào thiết kế chiều của đi ốt
Bộ biến trở được nối kế tiếp với bơm đi ốt, với nguồn áp suất vào là áp suất được tạo ra bởi bơm đi ốt để có thể tạo ra sự thay đổi lưu lượng dòng chảy (flow rate) tương tự như ứng suất cho phép khả năng đo độ nhớt của chất lỏng. Để thực hiện điều này, bộ biến trở bao gồm một điện trở có trở kháng cao và một van nơi mà màng đàn hồi sẽ dao động dựa vào áp suất được tác động vào, từ đó có thể làm thay đổi áp suất trong kênh, lưu lượng dòng chảy cũng như ứng suất tác động lên chất lỏng. Với thiết kế này cho phép đo độ nhớt của cả chất lỏng Newton và phi Newton.
Công thức tính độ nhớt của chất lỏng chảy tầng trong mạch vi lưu với mặt cắt là hình chữ nhật được xây dựng dựa trên định luật Hagen-Poiseuille law:
Trong đó,
µ: độ nhớt của chất lỏng
: Sự chệnh lệch áp suất trong kênh
Q: Lưu lượng dòng chảy
F: Thông số được tính sẵn phụ thuộc vào kích thước của kênh
Từ mô hình lý thuyết đơn giản này, thiết bị vi lưu đã cho phép đo độ nhớt của cả chất lỏng Newton và phi Newton với các thông số chênh lệch áp suất, lưu lương dòng chảy và thông số phụ thuộc và kích thước kênh. Đặc biệt, thiết bị đã hạn chế việc phải sử dụng các thiết bị điều khiển chính xác và đắt tiền bằng việc sử dụng nguồn cung cấp nước tĩnh trong “bình đựng reservoir”, thông qua sự chệnh lệch độ cao (hay áp suất) giữa reservoir và đầu vào (inlet), từ đó có thể điều khiển các hoạt động của các dòng nước, kích hoạt hoạt động của Nhớt kế vi lưu. Từ hoạt động của thiết bị có thể cho ra kết quả độ nhớt của chất lỏng cần đo.
Thiết bị đã đạt được độ nhớt của chất lỏng Newton (nước DI), thiết bị vẫn cần được nghiên cứu và phát triển thêm để có thể đo độ nhớt của chất lỏng phi Newton với kết quả chính xác bằng việc: khảo sát hoạt động của bộ biến trở bằng cách thay đổi thiết kế các dòng kênh có độ trở kháng phù hợp để có thể đạt được kết quả chính xác sau khi so sánh kết quả độ nhớt với các nhớt kế dùng kỹ thuật đo truyền thống.
LỜI KẾT
Công nghệ vi lưu là một xu hướng nghiên cứu và phát triển gần đây với khả năng tích hợp với các thành phần khác, thiết bị nhỏ gọn, và yêu cầu thể tích dung dịch nhỏ. Hiện tại phòng công nghệ tích hợp IT-BT đang phát triển các loại cảm biến sinh học nano ứng dụng trong việc giám sát sức khỏe và môi trường. Việc ứng dụng tích hợp cảm biến vào công nghệ vi lưu để giảm được lượng hóa chất, khả năng tự động hóa và mang lại hiệu quả cao là một nhu cầu rất lớn và cần được nghiên cứu phát triển vì tính thực dụng của chúng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Whitesides, George M. "The origins and the future of microfluidics." nature442.7101 (2006): 368-373.
2. Niculescu, Adelina-Gabriela, et al. "Fabrication and applications of microfluidic devices: A review." International Journal of Molecular Sciences22.4 (2021): 2011.
3. Kim, Geunyong, Bac Van Dang, and Sung-Jin Kim. "Stepwise waveform generator for autonomous microfluidic control." Sensors and Actuators B: Chemical266 (2018): 614-619.
4. Kim, Sung-Jin, et al. "Multiple independent autonomous hydraulic oscillators driven by a common gravity head." Nature communications6.1 (2015): 7301.
ThS. Vũ Thị Thúy Quỳnh
Phòng Công nghệ Tích hợp IT-BT
