(Luận án tiến sĩ) Nghiên Cứu, Phát Triển Hệ Thống Vi Bơm Tích Hợp Chức Năng Trộn Sử Dụng Cấu Trúc Vòi Phun Định Hướng Ứng Dụng Trong Y Sinh Học

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.93 MB, 136 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC QUÞC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN LUÂN

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

ĐẠI HỌC QUÞC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN LUÂN

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

3. Măc tiêu nghiên cću ... 5

4. Nái dung nghiên cću ... 6

5. Ph°¢ng pháp nghiên cću ... 6

6. Ý nghĩa khoa hãc và thực tißn ... 7

7. CÃu trúc nái dung cąa luÁn án ... 7

1.1.3. Phần tử vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van ... 27

1.1.4. Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán ... 33

2.1. Vi b¢m kÃt hāp chćc nng trán sā dăng cÃu trúc vòi phun ... 46

2.1.1. Cấu trúc vi bơm kết hợp chức năng trộn ... 46

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

2.1.2. Nguyên lý ho¿t ộng của vi bơm ề xuất ... 49

2.1.3. CÁm biến iện dung và iện cực ... 51

2.2. Mô phỏng ho¿t đáng cąa vi b¢m đÅ xt ... 53

2.2.1. Thiết lập mơ phỏng chức năng bơm ... 53

2.2.2. Thiết lập mô phỏng chức năng trộn ... 57

2.3. KÃt quÁ mô phỏng ... 60

2.3.1. Mô phỏng ho¿t ộng của màng bơm PZT ... 60

2.3.2. Mơ phỏng q trình tương tác của chất lỏng trong vi bơm ... 63

2.3.3. Kết quÁ mô phỏng chức năng trộn ... 65

2.3.4. Tối ưu hóa cấu trúc vịi phun/khuếch tán ... 68

2.3.5. Kết quÁ mô phỏng cÁm biến iện dung ... 71

CHĂNG 3. CH TắO H VI BĂM V IU KHIặN ... 73

3.1. ChÃ t¿o vi b¢m tích hāp bá trán ... 73

3.1.1. Thiết kế thân vi bơm ... 73

3.1.2. Chế t¿o thân vi bơm ... 76

3.2.3. Thí nghiệm cÁm biến iện dung ... 84

CH¯¡NG 4. KHÀO SÁT, ĐÁNH GIÁ HO¾T ĐàNG CĄA VI B¡M ... 86

4.1. Thā nghiám chćc nng b¢m ... 86

4.1.1. Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng là nước ... 86

4.1.2. Thử nghiệm hiệu suất bơm với các chất lỏng khác ... 90

4.1.3. Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác nhau ... 92

4.2 Thā nghiám chćc nng trán ... 95

4.2.1. Trộn với chất lỏng nhuộm màu ... 95

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

4.2.2. Trộn với chất lỏng khơng hồ tan ... 99

4.2.3. Kết quÁ thử nghiệm cÁm biến iện dung ... 100

4.3. Ćng dăng vi b¢m cho thiÃt bá truyÅn dách trong y tÃ ... 104

4.3.1. Thông số và chức năng của thiết bị ... 104

4.3.2. Sơ ồ khối m¿ch o và iều khiển ... 104

4.3.3. Giao diện và kiểu dáng ... 106

4.3.4. Thử nghiệm thiết bị truyền dịch ... 107

KÂT LUÀN VÀ KIÂN NGHà... 111

DANH MĂC CƠNG TRÌNH KHOA HâC CĄA TÁC GIÀ LIÊN QUAN ĐÂN LUÀN ÁN ... 113

TÀI LIàU THAM KHÀO ... 115

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

DANH MĀC CÁC CHĂ VI¾T TÂT

Chă vi¿t

MEMS Microelectromechanical Systems Hỏ vi cÂ iỏn t

àTAS Micro Total Analysis System Vi há thßng phân tích tãng hāp

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

BÀNG CHÚ GIÀI CÁC KÝ HIàU

Ký hiáu,

bÂm

T , Kelvin Nhiỏt ỏ tuyỏt òi ρ, kg/m3MÁt đá l°u chÃt

cực

�㕘∞,i, mol/m3Náng đá ion cąa chÃt i

Há sß khuêch tán cąa phÅn tā vịi

phun/khch tán

E , V/m C°ßng đá đián tr°ßng ß Hiáu suÃt chßnh l°u ca vi bÂm

à, Ns/m2ỏ nht ỏng hóc ỵ, mol/m2s Véc t¢ thơng l°āng khch tán

ÿĀ, m ChiÅu dày lớp đián áp

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

DANH MĀC CÁC BÀNG

BÁng 1.1. Đánh giá các lo¿i bộ trộn chủ ộng ... 40

BÁng 2.1. Tính chất vật lý của vật liệu dùng trong mô phỏng ... 54

BÁng 2.2. Các thông số sử dụng trong mô phỏng chức năng trộn ... 59

BÁng 2.3. Kích thước vịi phun/khuếch tán trước và sau cÁi tiến ... 70

BÁng 2.4. So sánh hiệu suất của vi bơm trước và sau cÁi tiến ... 70

BÁng 3.1. Thông số cơ bÁn của vật liệu VeroClear RGD810 ... 77

BÁng 3.2. Thơng số màng PZT ... 77

BÁng 3.3. Tính chất vật lý của nước và dung dịch Glycerin ... 82

BÁng 4.1. So sánh thông số một số vi bơm sử dụng màng bơm PZT ... 94

BÁng 4.2. BÁng sai số thể tích truyền ở các tốc ộ truyền khác nhau ... 107

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

DANH MĀC CÁC HÌNH VẼ, Đà THÞ

Hình 1. Sơ ồ khối của một hệ thống phân phối thuốc ... 3

Hình 2. Hệ thống cÁm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn ... 4

Hình 1.1. Mơ hình nguyên lý làm việc của một vi bơm iện hóa dùng trong ứng dụng bơm thuốc ... 10

Hình 1.2. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm bong bóng ... 12

Hình 1.3. Mơ hình nguyên lý làm việc của vi bơm iện thẩm ... 14

Hình 1.4. Cơ chế ho¿t ộng của vi bơm từ thủy ộng học ... 15

Hình 1.5. Mơ hình nguyên lý làm việc của vi bơm EHD ... 17

Hình 1.6. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm tĩnh iện. ... 18

Hình 1.7. Mơ hình nguyên lý làm việc của vi bơm áp iện ... 20

Hình 1.8. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén ... 23

Hình 1.9. Mơ hình nguyên lý làm việc của vi bơm iện từ ... 24

Hình 1.10. Mơ hình vi bơm nhu ộng với 3 buồng nối tiếp ... 26

Hình 1.11. Mơ hình vi bơm pít tơng sử dụng van một chiều ... 28

Hình 1.12. Thiết kế chung của phần tử vịi phun/khuếch tán ... 29

Hình 1.13. Sự suy giÁm áp suất trên phần tử vòi phun/khuếch tán t¿i các vùng khác nhau. . 31

Hình 1.14. Mơ hình ho¿t ộng của vi bơm khơng van ... 33

Hình 1.15. Vịi phun/khuếch tán có cấu trúc thơng thường (a), cấu trúc hai vây (b) và cấu trúc có vật cÁn (c) ... 36

Hình 1.16. Các cấu trúc hình học cơ bÁn của bộ trộn vi lỏng ... 37

Hình 1.17. Một số cấu trúc phức t¿p của bộ trộn vi lỏng ... 38

Hình 1.18. Thiết kế của một số bộ trộn chủ ộng ... 39

Hình 2.1. Mơ hình vi bơm sử dụng cấu trúc vịi phun/khuếch tán kiểu cũ ... 47

Hình 2.2. Cấu trúc vịi phun/khuếch tán kiểu mới ... 47

Hình 2.3. Mơ hình vi bơm ề xuất với cấu trúc vòi phun/khuếch tán mới ... 48

Hình 2.4. Mơ hình thiết kế 3D của vi bơm tích hợp bộ trộn ... 49

Hình 2.5. Quá trình hút và xÁ của vi bơm ... 50

Hình 2.6. Tụ iện song song ... 52

Hình 2.7. Điện cực cÁm biến diện dung sử dụng trong vi bơm ... 53

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Hình 2.8. Mơ hình ối xứng của vi bơm dùng cho mơ phỏng ... 55

Hình 2.9. Thiết lập iều kiện biên cho mơ phỏng chức năng trộn ... 60

Hình 2.10. Sự biến d¿ng của màng PZT khi có iện áp ặt vào ... 61

Hình 2.11. Biên ộ biến d¿ng t¿i tâm của màng PZT với các iện áp khác nhau ... 61

Hình 2.12. Đáp ứng của biến d¿ng so với iện áp ặt vào màng PZT ... 62

Hình 2.13. Hiệu ứng hút và xÁ quan sát t¿i cấu trúc vịi phun/khuếch tán ... 63

Hình 2.14. Tốc ộ dòng chÁy tức thời ở ầu vào và ầu ra với f = 100 Hz ... 64

Hình 2.15. Mơ phỏng q trình trộn ở tần số 100 Hz ... 66

Hình 2.16. Dịng chÁy và nồng ộ của chất lỏng ở tần số 100 Hz ... 67

Hình 2.17. Nồng ộ trung bình t¿i ầu ra ở các tần số khác nhau ... 67

Hình 2.18. Mơ hình mơ phỏng tối ưu cấu trúc vịi phun/khuếch tán ... 69

Hình 2.19. Thể tích chất lỏng bơm ược trong ba chu kỳ với các góc mở khác nhau. ... 69

Hình 2.20. Mặt cắt ngang và kích thước vịi phun/khuếch tán trước (a) và sau cÁi tiến (b) ... 70

Hình 2.21. Mơ phỏng cÁm biến iện dung với dung dịch NaCl ... 71

Hình 3.1. Thiết kế chi tiết thân vi bơm (a) ... 74

Thiết kế chi tiết thân vi bơm (b) ... 75

Hình 3.2. Hình Ánh thân vi bơm chế t¿o bằng công nghệ in 3D với ường kính buồng bơm khác nhau: (a) 35mm và (b) 20mm ... 77

Hình 3.3. Hình vẽ biểu diễn quá trình lắp ghép các thành phần ể t¿o thành bộ vi bơm tích hợp chức năng trộn ... 78

Hình 3.4. Hình Ánh thân vi bơm sau khi chế t¿o và óng gói ... 79

Hình 3.5. Sơ ồ m¿ch dao ộng LC của iện cực cÁm biến ... 80

Hình 3.6. M¿ch o và xử lý dữ liệu ... 80

Hình 3.7. Sơ ồ thí nghiệm chức năng bơm ... 81

Hình 3.8. Sơ ồ thí nghiệm chức năng trộn ... 82

Hình 3.9. Phương pháp phân tích màu sắc ể ánh giá hiệu suất trộn của vi bơm ... 83

Hình 3.10. Sơ ồ thí nghiệm cÁm biến iện dung ... 84

Hình 3.11. Hình Ánh thí nghiệm thực tế ... 85

Hình 4.1. Thí nghiệm xác nhận hiệu ứng bơm ... 87

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Hình 4.2. Thí nghiệm xác ịnh mối quan hệ giữa tần số iều khiển và lưu lượng bơm ở iện

áp 220V ... 87

Hình 4.3. Thí nghiệm xác ịnh mối quan hệ giữa tần số iều khiển và lưu lượng bơm ở iện áp 90V ... 88

Hình 4.4. Thí nghiệm xác ịnh mối quan hệ giữa tần số iều khiển và áp suất bơm ... 89

Hình 4.5. Quan hệ giữa iện áp iều khiển và áp suất bơm t¿i tần số 100 Hz ... 90

Hình 4.6. Lưu lượng bơm ở iện áp 220 V và các tần số khác nhau ứng với các chất lỏng: nước, hỗn hợp glycerin-nước nồng ộ khác nhau. ... 91

Hình 4.7. Ành hưởng của ường kính màng bơm PZT tới lưu lượng bơm ... 92

Hình 4.8. Ành hưởng của ường kính màng bơm PZT tới áp suất và lưu lượng của bơm ở tần số cộng hưởng ... 93

Hình 4.9. Hiệu ứng trộn t¿i kênh ầu ra khi khơng có iện áp iều khiển. ... 95

Hình 4.10. Hiệu ứng trộn t¿i kênh ầu ra khi có iện áp 220Vppở tần số 10Hz (a) và 100Hz (b) ... 96

Hình 4.11. Hình Ánh phân tích màu và mức xám của Ánh chụp t¿i kênh ra của vi bơm ứng với tần số 10Hz (a) và 100Hz (b) ... 97

Hình 4.12. Các vị trí ánh giá hiệu suất trộn của vi bơm ... 97

Hình 4.13. Đánh giá khÁ năng trộn theo mã màu t¿i kênh ầu ra của vi bơm ... 99

Hình 4.14. Thí nghiệm bơm với chất lỏng khơng hịa tan ... 100

Hình 4.15. Giá trị iện dung của iện cực o ược trong khoÁng thời gian 4 phút với chất lỏng t¿i kênh ầu ra là nước. ... 101

Hình 4.16. Giá trị iện dung o ược ứng với các chất lỏng bơm khác nhau ... 102

Hình 4.17. Giá trị iện dung thay ổi trong quá trình chuyển từ dung dịch NaCl 30% sang nước tinh khiết và ngược l¿i. ... 103

Hình 4.18. Sơ ồ khối m¿ch iều khiển vi bơm ... 105

Hình 4.19. Thiết bị truyền dịch sử dụng vi bơm kết hợp bộ trộn ... 106

Hình 4.20. Thử nghiệm ánh giá sai số thể tích truyền trong 30 phút ở các tốc ộ khác nhau ... 108

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Mà ĐÄU 1. Tính cÃp thi¿t căa đÁ tài

MEMS là viÃt tÃt cąa há thßng vi c¢ đián tā (MicroElectroMechanical System). Đây là mát thuÁt ngă ráng, có liên quan đÃn thiÃt kÃ, ph°¢ng pháp, c¢ chÃ chÃ t¿o vi mơ cho viác hián thực hóa các thành phÅn cÃu thành các bá phÁn c¢ khí chun đáng á quy mơ siêu nhỏ (cÿ micromet). MEMS nghiờn cu chuyần ói cỏc hỏ thòng cÂ hóc cỏng knh, truyn thòng thnh cỏc hỏ thòng cÂ hóc thay th thu nh, cú hiỏu sut tòt hÂn v cú khÁ nng sÁn xuÃt hàng lo¿t cao, t°¢ng tự nh° nhăng gì cơng nghá m¿ch tích hāp và bán d¿n đã làm cho các há thßng đián và đián tā.

Trong nhăng nm đÅu cąa thÃ kỷ 21, công nghá MEMS đã đ°āc áp dăng cho nhu cÅu cÃp thiÃt cąa ngành y sinh, qua đó, đẩy m¿nh mát lĩnh vực nghiên cću mới có tên gãi là Microfluidics - Công nghá vi l°u. Công nghá vi l°u liên quan đÃn viác thiÃt kÃ và phát triÇn các thiÃt bá thu nhỏ mà có thÇ tích hāp cÁm biÃn, bÂm, trỏn, thao tỏc, theo dừi v kiầm soỏt lu l°āng chÃt lỏng rÃt nhỏ. Sự phát triÇn cąa các há thßng vi l°u đã nhanh chóng ćng dăng ráng sang nhiÅu lĩnh vực khác nhau. Các ćng dăng chính cąa há thßng vi l°u là phân tích hóa hãc, cÁm biÃn sinh hãc và hóa hãc, phân phßi thc, phân tách phân tā, phân tích DNA, khuÃch đ¿i, xác đánh trình tự hoặc tãng hāp axit nucleic và theo dõi mơi tr°ßng.

Viác sā dăng MEMS cho măc đích sinh hãc (BioMEMS) đã thu hút sự quan tâm cąa nhiÅu nhà nghiên cću. Tr°ớc nhu cÅu cÃp thiÃt cąa y hãc là chÃ t¿o các há thßng phân phßi thc vi mơ, viác sā dăng cơng nghá vi chÃ t¿o (micromachining) đÇ triÇn khai măc tiêu này là mát xu h°ớng hián đ¿i hián nay. Că thÇ, các thiÃt bá phân phßi thußc bằng kênh d¿n vi l°u dựa trên MEMS đang đ°āc nghiên cću nh°: các thiÃt bá thẩm thÃu qua da bằng vi kim, các thiÃt

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

bá sā dăng vi b¢m, các thiÃt bá dùng bá chća vi mô và các thiÃt bá MEMS có thÇ phân hąy sinh hãc.

Nh° chúng ta bit, cỏc phÂng phỏp phõn phòi thuòc thụng thòng l a thuòc vo cÂ thầ ngòi qua òng uòng, òng hớt thỏ v òng tnh mch. Vi cỏc phÂng pháp phân phßi đó, thc sÁ phân tán đÃn nhiÅu bỏ phn khỏc ca cÂ thầ v cú thầ gõy ra mát sß Ánh h°áng khơng mong mn. Thêm vào ú, lng thuòc a vo cÂ thầ cú thầ nhiu h¢n hoặc ít h¢n so với nhu cÅu cąa măc đích điÅu trá. Nhìn chung, hÅu hÃt các lo¿i thc đÅu hiáu quÁ nÃu đ°āc phân phßi đúng theo mát hm lng c thầ, nm gia mc tòi a v tòi thiầu mong muòn. Nu quỏ mc tòi a, chỳng s gõy ngỏ ỏc v nu di mc tòi thiầu, chúng l¿i khơng có tác dăng điÅu trá. Với các phÂng phỏp phõn phòi thuòc thụng thòng nh qua òng ng bằng miáng, v.v..., thì hàm l°āng thc ban đÅu đ°āc đẩy m¿nh, sau đó giÁm nhanh xng d°ới mćc iu trỏ. HÂn na, trong thc t, ầ t c hiáu q điÅu trá thì cÅn phÁi phßi hāp nhiÅu lo¿i thc với tỷ lá chính xác. Vì vÁy, nhu cu ch to thit bỏ phõn phòi thuòc cú thầ điÅu khiÇn đ°āc là nhu cÅu cÃp bách hián nay. ThiÃt bá này phßi trán hàm l°āng thc thích hāp nhò bỏ iu khiần cú cÂ ch tớnh toỏn chớnh xỏc v gii phúng vo thòi iầm thớch hp bng c¢ chÃ vi truyÅn đáng nh° thiÃt bá vi b¢m. Li ớch ca viỏc gii phúng thuòc cú kiầm soỏt l cung cp thuòc ti vỏ trớ c thầ, gim tác dăng phă và tng hiáu quÁ điÅu trá.

Mát sß tr°ßng hāp đặc biát, viác phân phßi thußc l¿i là sự kÃt hāp, pha trán cąa hai hoặc nhiÅu lo¿i thußc khác nhau với các tỷ lá khác nhau ti mòi thòi iầm v vai trũ ca mỏt bỏ trỏn trong tròng hp ny l khụng thầ thiu. Nh vÁy, mát há thßng phân phßi thc tích hāp có thầ s bao gỏm hỏ thòng vi bÂm, hỏ thòng trỏn, hỏ thòng iu khiần chớnh xỏc nh mụ t trong Hình 1. Há thßng trán làm nhiám vă trán thc trong các kênh d¿n thơng qua viác thay đãi

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

l°u l°āng đ°āc điÅu khiÇn chính xỏc bỏi hỏ thòng iu khiần. Sau ú, hỏ thòng vi bÂm y thuòc n u ra. Ngoi ra, mỏt há thßng cÁm biÃn đ°āc đặt t¿i đÅu ra, với nhiám vă xác đánh hàm l°āng thußc và tác đáng trỏ li bỏ iu khiần ầ thay ói tò lỏ trán hoặc l°u l°āng b¢m nÃu các giá trá này ch°a chính xác theo u cÅu mong mn.

Hình 1. Sơ đồ khối của một hệ thống phân phối thuốc

à mát khía c¿nh khác, vi b¢m, bá trán& cũng là nhăng thiÃt bá thiÃt yÃu trong các há thòng vn chuyần cht lng, chng hn nh Vi hỏ thòng phõn tớch tóng hp (àTAS - Micro Total Analysis System), Há thßng xét nghiám t¿i chß (POCT - Point of Care Testing) hoặc Há thßng phịng thí nghiám trên chip (LoC - Lab on a Chip). Các thiÃt bá vi c¢ này đ°āc sā dăng nh° mát phÅn cąa há thßng tích hāp xét nghiám nhanh bằng mát con chip bao gám buáng chća vi mô (microreservoirs), vi kênh (microchannel), vi b¢m (micropump), bá vi trán (micromixer) và hỏ thòng vi cm bin (microsensor) ầ vn chuyần chớnh xác các chÃt lỏng hóa hãc và sinh hãc á mćc vi mơ. Há thßng xét nghiám nhanh t¿i gi°ßng bánh dùng đÇ tiÃn hành phân tích chẩn đốn t¿i chß nhằm cung cÃp dách vă chm sóc sćc khỏe v ci thiỏn cht lng cuỏc sòng tòt hÂn. Trong cỏc hỏ thòng chn oỏn kầ trờn, vi bÂm v bá trán là thành phÅn khơng thÇ thiÃu (Hình

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

2) ầ m bo hỏ thòng hot đáng chính xác. Vì vÁy, viác nghiên cću há thßng vi b¢m, bá trán là b°ớc quan trãng và cÅn thiÃt.

Hình 2. Hệ thống cÁm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn

NhÁn thÃy vai trò to lớn và khÁ nng ćng dăng cąa vi b¢m và bá trán trong lĩnh vực y sinh hãc, hián nay, trên thÃ giới đã có nhiÅu nhóm nghiên cću vÅ các thiÃt bá này nhằm t¿o ra các sÁn phẩm ćng dăng trong thực tißn nh° phân tích hóa hãc, cÁm biÃn sinh hãc, phân phßi thc, phân tách phân tā. Mát trong sß nhăng măc tiêu h°ớng đÃn cąa các nghiên cću này là đ°a ra đ°āc nhăng giÁi pháp đÇ có thÇ t¿o ra sÁn phẩm có đá bÅn, đá tin cÁy cao, kích th°ớc nhỏ và dß dàng trong viác chÃ t¿o. Các nghiên cću th°ßng tÁp trung vào các giÁi pháp cho tÿng thit bỏ c thầ riờng biỏt nh vi bÂm, bỏ vi trán, vi cÁm biÃn hoặc c¢ chÃ vi điÅu khiÇn& Trong khi đó, viác phát triÇn mát thiÃt bá vi lỏng có khÁ nng tích hāp nhiÅu chćc nng nh° trên v¿n ch°a có nhiÅu đát phá. Với các lý

do trên, viác thực hián đÅ tài <Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi bơm tích hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun định hướng ứng dụng trong y sinh học= sÁ giÁi quyÃt đ°āc nhu cÅu thực tißn trong viác phân phßi thußc và

đáp ćng cho các há thßng LoC. LuÁn án đÅ xuÃt hỏ thòng vi bÂm khụng s dng van da trờn cÃu trúc vịi phun/khch tán (nozzle/diffuser) tích hāp đáng thßi chćc nng b¢m và trán. Viác thực hián thành cơng luÁn án sÁ đem l¿i nhăng

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

kÃt quÁ nghiên cću mới và là c¢ sá cho đánh h°ớng, phát triÇn các sÁn phẩm ćng dăng trong y sinh hãc.

2. Nhăng vÃn đÁ còn tán t¿i

Qua phân tích và tãng hāp các kÃt quÁ nghiên cću đã cơng bß, NCS thÃy đ°āc nhăng vÃn đÅ đang còn tán t¿i mà nái dung nghiên cću cąa luÁn án cÅn tÁp trung giÁi quyÃt, că thÇ nh° sau:

- Vi bÂm v bỏ trỏn thòng l cỏc mơ đun riêng biát, điÅu này d¿n đÃn kích th°ớc cąa thiÃt bá cáng kÅnh và phćc t¿p trong chÃ t¿o, ghép nßi.

- Khi trán hai hay nhiÅu thành phÅn chÃt lỏng, các há thßng cÅn phÁi có sò lng bÂm tÂng ng vi cỏc kờnh vo ca bá trán, điÅu này sÁ làm tng giá thành, kích th°ớc cąa há thßng.

- Viác đo l°ßng và tự đáng xác đánh náng đá cąa hßn hāp chÃt lỏng sau các bá vi trán bằng cÁm biÃn v¿n là mát bài tốn mới, ch°a có nhiÅu nghiên cću.

- Cỏc gii phỏp vi bÂm thòng cú hiỏu sut ch°a cao, bá trán ch°a có khÁ nng điÅu khiÇn tự đáng tỷ lá thành phÅn đÅu ra.

Vì vÁy, viác nghiên cću và đÅ xuÃt mát thiÃt bá mới với các tính nng có thÇ khÃc phăc đ°āc nhăng h¿n chÃ nêu trên sÁ đ°āc trình bày trong luÁn án này.

3. Māc tiêu nghiên cąu

Măc tiêu nghiên cću cąa luÁn án là:

- Nghiên cću, thiÃt kÃ, chÃ t¿o đ°āc mát há vi b¢m có chćc nng trán và tích hāp cÁm biÃn đián dung có khÁ nng xác đánh mơi tr°ßng l°u chÃt, đo náng đá thành phÅn dung dách á đÅu ra cąa thiÃt bá và h°ớng tới khÁ nng tự đáng điÅu chßnh tỷ lá trán.

- B°ớc đÅu ćng dăng đ°āc thiÃt bá này vào các cơng viác nh° phân tích hóa hãc, cÁm biÃn sinh hãc và hóa hãc, phân phßi thußc, phân tách phân tā. Că

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

thÇ là phát triÇn mát thiÃt bá đánh h°ớng ćng dăng trong viác truyÅn dách t¿i các bánh vián.

4. Nßi dung nghiên cąu

- Thu thÁp và nghiên cću cỏc ti liỏu ó cụng bò v vi bÂm, bỏ trán, cÁm biÃn.

- Nghiên cću và đánh giá các mơ hình tốn hãc đ°āc sā dăng đÇ tính tốn, thiÃt kÃ, mơ phỏng vi b¢m, bá trán và cÁm biÃn.

- Nghiên cću, lựa chãn giÁi pháp, thiÃt kÃ há thßng cÁm biÃn đián dung cho viác xác đánh mơi tr°ßng l°u chÃt sau khi trán.

- Tính tốn, thiÃt kÃ, mơ phỏng ho¿t đáng cąa vi b¢m và bá trán sā dăng phÅn mÅm các phÅn tā hău h¿n (COMSOL).

- ChÃ t¿o nguyên m¿u vi b¢m và tiÃn hành thực nghiám khÁo sát ho¿t đáng cąa thiÃt bá.

- ChÃ t¿o cÁm biÃn đián dung tích hāp t¿i kênh đÅu ra cąa vi b¢m. - ThiÃt kÃ và xõy dng hỏ thòng o v iu khiần vi bÂm.

- Thực hián các thā nghiám đÇ thu thÁp và phân tích dă liáu, đánh giá và

tßi °u thiÃt kÃ.

5. Ph°¢ng pháp nghiên cąu

Các ph°¢ng pháp nghiên cću c la chón ầ thc hiỏn lun ỏn:

- PhÂng pháp phân tích và tãng hāp: Ph°¢ng pháp này đ°āc sā dăng đÇ tãng hāp và phân tích các cơng trình nghiên cću đã cơng bß trong và ngồi n°ớc có liên quan đÃn đÅ tài cąa luÁn án nh°: vi b¢m, bá trán, cÁm biÃn... nhằm thÃy đ°āc các vÃn đÅ cÅn nghiên cću.

- Ph°¢ng pháp mơ hình hóa và mơ phỏng: Sā dăng cơng că mơ phỏng phn t hu hn COMSOL ầ mụ phng cÂ ch ho¿t đáng, quá trình làm viác cąa các cÃu trúc, bá phÁn trong há thßng, xác đánh đ°āc thơng sß thiÃt bá tÿ đó

chÃ t¿o đ°āc thiÃt bá.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

- Ph°¢ng pháp thực nghiám: Sā dăng công nghá và thiÃt bá in 3D với đá phân giÁi cao đÇ chÃ t¿o các m¿u sÁn phẩm phăc vă cho viác nghiên cću cąa luÁn án. ThiÃt lÁp hỏ thòng o lòng ầ ỏnh giỏ kh nng hot đáng và đá tin cÁy cąa các thiÃt bá, cũng nh° đánh giá, hiáu chßnh và hồn thián thiÃt bá.

6. Ý nghĩa khoa hác và thực tißn

►Ý nghĩa khoa học:

Với nhiám vă và măc tiêu đặt ra nh° trên, nái dung cąa luÁn án sÁ là c¢ sá khoa hãc cho viác thiÃt kÃ và chÃ t¿o vi b¢m khơng van có tích hāp chćc nng trán. Đây là vÃn đÅ nghiên cću liên ngành VÁt lý, Đián tā, C¢ hãc chÃt lỏng, Y sinh hãc. KÃt quÁ nghiên cću cąa luÁn án có ý nghĩa khoa hãc và thực tißn cao, sÁ có tác đáng tßt đÃn lĩnh vực khoa hãc chun mơn, đặc biát là trong các nghiên cću vÅ vi b¢m khơng van nói riêng và các ćng dăng trong lĩnh vực

y sinh nói chung. ►Ý nghĩa thực tiễn:

Viác thiÃt kÃ, chÃ t¿o đ°āc vi b¢m khơng van có tích hāp chćc nng trán, b°ớc đÅu góp phÅn giÁi quyÃt mát nhu cÅu thực tißn cąa con ng°ßi hián nay vÅ vÃn đÅ chẩn đốn, điÅu trá, phân phßi thußc nhanh và tự đáng, áp dăng đ°āc các thành tựu khoa hãc liên ngành VÁt lý - Sinh hãc - Đián tā vào trong đßi sßng xã hái n°ớc ta.

7. CÃu trúc nßi dung căa luÁn án

Ngoài phÅn má đÅu, kÃt luÁn và kiÃn nghá, nái dung lun ỏn c bò cc thnh 4 chÂng:

- Ch°¢ng 1 trình bày tãng quan tình tình nghiên cću. Trong chÂng ny, lun ỏn phõn tớch, tỡm hiầu cỏc hỏ thòng vi bÂm, bỏ trỏn ó c nghiờn cu trên thÃ giới và trong n°ớc. Tÿ đó, luÁn án đÅ xuÃt nái dung nghiên cću và tÅm quan trãng cąa viác thực hián nghiên cću.

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

- Ch°¢ng 2 trình bày chi tiÃt đÅ xt mát thiÃt kÃ vi b¢m khơng van kÃt hāp tính nng trán. Vi b¢m đÅ xt sā dăng c¢ cÃu vịi phun/khch tán mới. Cùng với đó, viác tính tốn và xây dựng mơ hình vi b¢m bằng ph°¢ng pháp mơ phng ầ tỡm ra thụng sò kớch thc tòi u nhằm chÃ t¿o nguyên m¿u vi b¢m trong thực tÃ.

- Ch°¢ng 3 trình bày thiÃt kÃ chi tiÃt cỏc thụng sò, kớch thc ca vi bÂm phc v viác chÃ t¿o bằng công nghá in 3D t¿o m¿u nhanh đá phân giÁi cao. TiÃp đó thiÃt kÃ và chÃ t¿o m¿ch điÅu khiÇn, xây dựng các há đo và thā nghiám thiÃt bá.

- Ch°¢ng 4 trình bày chi tiÃt các thí nghiám và kÃt quÁ nhằm đánh giá các thơng sß, chćc nng cąa thiÃt bá nh vi bÂm, bỏ trỏn, cm bin v tòi u l¿i há thßng nhằm đ¿t đ°āc kÃt quÁ nh° mong mn.

8. Các đóng góp chính căa ln án

- LuÁn án đã đÅ xuÃt mát thiÃt kÃ vi b¢m sā dăng cÃu trúc vũi phun/khuch tỏn kiầu mi, vi bÂm kt hp gia tính nng b¢m và trán trên cùng mát thiÃt bá.

- Đã xây dựng đ°āc mơ hình mơ phỏng chćc nng b¢m và trán cąa thiÃt bá. Các kÃt quÁ dă liáu thu đ°āc đã đánh giá đ°āc Ánh h°áng ca tn sò, iỏn ỏp, kớch thc mng bÂm PZT cũng nh° thơng sß cąa cÃu trúc vịi phun/khch tán đÃn l°u l°āng, áp suÃt đÅu ra cąa vi b¢m, cũng nh° khÁ nng trán cąa thiÃt bá.

- Đã chÃ t¿o đ°āc m¿u vi b¢m kÃt hāp bá trán sā dăng cÃu trúc vịi phun/khch tán bằng cơng nghá in 3D đá phân giÁi cao, có tích hāp cm bin iỏn dung ầ xỏc ỏnh mụi tròng bÂm và tỷ lá trán. Các kÃt quÁ thí nghiám đã chćng tỏ thiÃt bá đã đáp ćng đ°āc măc tiêu nghiên cću đặt ra cąa đÅ tài mà luÁn án đã chãn. Đáng thßi khẳng đánh tiÅm nng và đóng góp cąa nghiên cću cho các ćng dăng khác nhau trong lĩnh vực y sinh.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

CH¯¡NG 1. TâNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CĄU 1.1. Tãng quan vÁ vi b¢m

Tr°ớc nhăng nhu cÅu địi hỏi tÿ thực tÃ, viác nghiên cću vÅ vi b¢m đã đ°āc bÃt đÅu tÿ nhăng nm 1980 và trá thành mát lĩnh vực nghiên cću lớn trong ngành vi đián t [1,2]. Vi bÂm c hiầu l mỏt thit bỏ cú kớch thc nh lm nhiỏm v bÂm, kiầm soỏt vÁn chuyÇn mát l°āng nhỏ chÃt lỏng đÇ đáp

ćng mát yêu cÅu că thÇ. Thực hián chćc nng b¢m nghĩa là viác di chuyÇn chÃt lỏng trong các vi

kênh d°ới hiáu ćng vÁt lý nào đó. Dựa trên các ngun tÃc b¢m, cỏc vi bÂm thòng c phõn thnh hai loi chớnh là vi b¢m c¢ hãc và vi b¢m phi c¢ hóc. Vi bÂm cÂ hóc cha cỏc bỏ phn chuyần đáng. Lực trun đáng có thÇ đ°āc t¿o ra bằng cách sā dăng các hiáu ćng áp đián, tĩnh đián, nhiát, khí nén hoặc các hiáu ćng tÿ tính. Trong khi đó, vi b¢m phi c¢ hãc ho¿t đáng với lực trun đáng th°ßng là đián thẩm, đián hóa hoặc t¿o dòng siêu âm&

1.1.1. Vi bơm phi cơ học

Vi b¢m phi c¢ hãc là nhăng vi b¢m khụng s dng chuyần ỏng cÂ hóc ầ tỏc ỏng lc lờn cht lng cn bÂm.

Trong mỏt sò tròng hp c biỏt mỏt sò vi bÂm phi cÂ hãc không cÅn phÁi cung cÃp nng l°āng tÿ bên ngoi ầ hot ỏng v chỳng c gói l bÂm phi cÂ hóc th ỏng, iần hỡnh l vi bÂm mao quÁn [3]. Lo¿i b¢m này sā dăng hiáu ćng mao d¿n và sćc cng bÅ mặt đÇ vÁn chuyÇn chÃt lỏng, că thÇ á đây, sự bám dính xÁy ra giăa chÃt lỏng và ßng mao quÁn sÁ kéo chÃt lỏng lên cao. Vi b¢m sā dăng sự chênh lách sćc cng bÅ mặt giăa giãt nhỏ á đÅu vo v giót ln hÂn ỏ u ra ầ truyn m¿u chÃt lỏng cũng đã đ°āc nghiên cću [4-5]. Wang và các cáng sự dùng các chÃt xßp nh° giÃy ầ vn chuyần cht lng nhò lc mao dn xut hián á bÅ mặt phân giới giăa chÃt lỏng - rÃn [6].

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Khác với vi b¢m phi cÂ hóc th ỏng, mỏt sò loi vi bÂm phi c¢ hãc l¿i cÅn phÁi cung cÃp nng l°āng ầ hot ỏng v chỳng c gói l vi bÂm phi cÂ hóc ch ỏng. Di õy l mỏt sò kt qu nghiờn cu iần hỡnh ó c cụng bò vÅ các lo¿i vi b¢m này.

1.1.1.1. Vi bơm iện hóa (Electrochemical Micropump)

Đặc điÇm chung nhÃt cąa các lo¿i vi b¢m đián hóa là t¿o ra các bong bóng bằng ph°¢ng pháp đián phân. Trong đó, chÃt đián phân th°ßng là n°ớc và đ°āc phân hąy thành khí hydro (H2) và khí oxy (O2) khi có dịng đián ch¿y qua. Q trình t¿o bong bóng thơng qua các phÁn ćng (1), (2).

T¿i anode:

2H2O 4H+ + 4e- + O2 (1) T¿i cathode:

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Các bong bóng đ°āc t¿o ra trong quá trình đián phân làm thay đãi áp suÃt trong buáng kín sinh ra lực tác dăng lờn mng bÂm ầ y dung dỏch di chuyần. Vi b¢m đián hóa gám các thành phÅn nh°: bng b¢m chća chÃt đián phân (hay còn đ°āc gãi là buáng đián phân) có các đián cực đ°āc cÃp đián đÇ t¿o ra bong bóng, các kênh d¿n chÃt lỏng, và các buáng chća chÃt lỏng đÅu vào và đÅu ra [7].

Hình 1.1 mơ tÁ ngun lý ho¿t đáng cąa mát vi b¢m đián hóa sā dăng trong viác phân phòi thuòc. iầm hn ch ca loi vi bÂm iỏn hóa là các bong bóng đ°āc t¿o ra có thÇ bá phá vÿ. ĐiÅu này làm giÁm đá tin cÁy và chính xác cąa vi b¢m [8]. Tuy nhiên, lo¿i vi b¢m đián hóa tiêu thă ít nng l°āng và rÃt hiáu quÁ trong viác b¢m dung dách với thÇ tích nhỏ, cÿ mL [9].

Suzuki và Yoneyama đã chÃ t¿o mát vi b¢m đián hóa có đián áp ho¿t đáng á mćc trên d°ới 1V và đián nng tiờu th thp ỏ mc àW [11,12]. Hỏ thòng vi bÂm ú c phỏt triần bng cỏch tớch hp mát bá vi b¢m trên chip và các van mát chiÅu ho¿t đáng thơng qua bong bóng H2đ°āc t¿o ra bằng phÁn ćng đián hóa. Đián cực có d¿ng màng mỏng đ°āc làm tÿ b¿ch kim. ChÃt nÅn (substrate) bằng vÁt liáu PDMS (Polydimethylsiloxane) đ°āc sā dăng đÇ t¿o kênh dòng chÁy và khoang chća dung dách đián phân. Hai dung dỏch thuòc nhuỏm c bÂm v hp nht trong mát kênh vi lỏng, l°u l°āng b¢m á giá trá 8,0 nL/s đã đ°āc ghi nhÁn. Yoshimi và cáng sự đã phát triÇn khớp thÅn kinh nhân t¿o (artificial synapse) bằng cách sā dăng mát vi b¢m đián hóa [13]. Khòi vi bÂm ny bao gỏm mát vòi phun bằng thąy tinh và hai đián cực b¿ch kim chća đÅy dung dách d¿n truyÅn thÅn kinh cho q trình đián phân. ĐÇ điÅu khiÇn dung dách h°ớng tới n¢-ron, mát hiáu đián thÃ 3,0V đã đ°āc đ°a vào đián cực. Kim và cáng sự đã nghiên cću, thiÃt kÃ vi b¢m sā dăng màng Ppy (Polypyrrole) [14]. Vi b¢m ho¿t đáng bằng cách kích thích màng mỏng Ppy-PDMS thơng

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

qua ph°¢ng pháp đián hóa. Các van mát chiÅu đ°āc sā dăng đÇ kiầm soỏt hng ca dũng chy. Tòc ỏ dũng chy tßi đa 52μL/phút đ¿t đ°āc khi đián áp đặt vào ± 1,5V với công suÃt đÅu vào là 55mW.

1.1.1.2. Vi bơm lo¿i bong bóng (Bubble Micropumps).

Hình 1.2 là mơ hình ngun lý làm viác cąa vi b¢m bong bóng. Vi b¢m ho¿t đáng dựa trên sự giãn ná và vÿ đánh kỳ cąa các bong bóng đ°āc t¿o ra bái quá trình sinh nhiát trong buáng b¢m. Sự thay đãi áp suÃt trong buáng b¢m cùng với c¢ chÃ ho¿t đáng cąa các van mát chiÅu hoc thụng qua cÂ ch vũi phun/khuch tỏn (nozzle/diffuser) ầ xỏc ỏnh hng dũng chy ca vi bÂm. u iầm chớnh ca loi vi bÂm ny l cú thầ trỏn hai hoặc nhiÅu lo¿i liÅu thußc trong các chu kỳ bong bóng giãn ná và vÿ. Nh°āc điÇm chính cąa vi b¢m bong bóng là cÅn phÁi có ngn t¿o nhiỏt thòng xuyờn ầ vi bÂm hot ỏng v do đó ćng dăng có phÅn h¿n chÃ [15].

Hình 1.2. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm bong bóng

Tsai và Lin đã nghiên cću mát vi b¢m nhiát bong bóng khơng van [16,17]. Sau ú, hó ó phỏt triần mỏt hỏ thòng trỏn vi lỏng với mát bá lãc bãt khí bằng cách sā dăng vi bong bóng. Tßc đá dịng chÁy tßi đa 5 μL/phút t¿i tÅn sß 250 Hz với xung đián áp đá ráng xung 10% và công suÃt tiêu thă là 1W. Lew và cáng sự đã phát triÇn mát vi b¢m bong bóng xẹp [18]. Các bong bóng có bán kính khoÁng 3 đÃn 5mm đã đ°āc khÁo sát thơng qua thiÃt lÁp thí nghiám

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

sā dăng tia lāa đián sinh ra giăa hai bÁn tă đián có đián áp 55V. Vi b¢m bong bóng sā dăng bá gia nhiát cũng đã đ°āc Jung và Kwak nghiên cću chÃ t¿o [19]. Bá vi b¢m bao gám mát cặp vịi phun/khch tán, bá điÅu khiÇn dịng chÁy, các vi kênh và mát buáng b¢m. Vi b¢m đ¿t đ°āc tßc đá dịng chÁy tßi đa 6μL/phút á t lỏ 60% (khong thòi gian xung iỏn/chu k bÂm) đßi với bng trịn và 8μL/phút á tỷ lá 40% đßi với bng vng. Cheng và Liu đã nghiên cću mát vi b¢m bong bóng đián phân dựa trên thiÃt kÃ gradient nhám trong vi kênh [20]. Tßc đá dịng lớn nhÃt 114μL/phút đ¿t đ°āc á đián áp đặt vào 15V với tÅn sß 4,5Hz.

1.1.1.3 Vi bơm iện thẩm (Electroosmotic micropump)

Hình 1.3 trình bày nguyên lý ho¿t đáng dịng di chun đián thẩm. HÅu hÃt các bÅ mặt sÁ có mát mÁt đá đián tích nhÃt đánh mát cách tự nhiên khi tiÃp xúc với dung dách. Ví dă, mát bÅ mặt silica tiÃp xúc với dung dách n°ớc sÁ trá nên tích đián do sự khā ion cąa các nhóm silanol trên bÅ mặt. BÅ mặt tích đián hút các đián tích trái dÃu và đẩy lùi ra xa các h¿t tích đián cùng dÃu, d¿n đÃn sự hình thành lớp đián áp kép (EDL - Electrical Double Layer). Với vi b¢m đián thẩm mơ tÁ trong Hình 1.3, bÅ mặt kênh vi lỏng đ°āc tích đián âm do hián t°āng phÁn ćng hóa hãc bÅ mặt khi tiÃp xúc với chÃt lỏng. Khi mát đián tr°ßng đ°āc đặt song song với bÅ mặt tích đián, các cation trong vùng EDL sÁ chuyÇn đáng theo hng ca iỏn tròng. S di chuyần ca cỏc cation này sÁ kéo theo sự dách chuyÇn cąa chÃt lỏng và t¿o ra dòng chÁy trong vi kênh. Sự phân bò iỏn tớch dÂng v õm to ra iỏn th t¿i thành cąa vi kênh, gãi là đián thÃ Zeta (ζ), phă thuác vào tính chÃt bÅ mặt và mÁt đá ion trong chÃt lỏng. ChiÅu dày cąa lớp đián áp kép ÿĀ đ°āc tính theo ph°¢ng trình (3).

ÿĀ = [Ā2∑ ýÿýĀ

ÿý∞,ÿ

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Trong đó:  : hằng sß đián mơi cąa chÃt lỏng

K : hằng sß Boltzmann

T : nhiát đá

�㔖

: đián tích

Zi : sß hóa trá cąa ion

�㕘∞,i : náng đá ion cąa cht i trong hòn hp

Trong ng dng vi bÂm, do chiÅu dày cąa lớp EDL rÃt nhỏ so với kích th°ớc mặt cÃt ngang cąa kênh vi lỏng, khi ú tòc ỏ dũng iỏn di cú thầ c tớnh nh° sau [21]:

Trong đó: E (V/m) : c°ßng đá đián tr°ßng

µ(Ns/m2) : đá nhớt đáng hãc cąa chÃt lỏng. L°u l°āng đián thẩm thÃu phă thuác vào:

- Đá lớn cąa đián tr°ßng;

- Kích th°ớc mặt cÃt ngang cąa vi kênh; - MÁt đá đián tích bÅ mặt cąa vi kênh; - MÁt đá ion và pH cąa chÃt lỏng làm viác.

Hình 1.3. Mơ hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện thẩm

Nh°āc iầm ca loi vi bÂm ny l tòc ỏ dũng chÁy thÃp nh°ng l¿i phÁi sā dăng đián áp rÃt cao, lên đÃn h¢n 1000V và chß ho¿t đáng đ°āc với các lo¿i

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

chÃt lỏng d¿n đián, bù l¿i, vi b¢m có thầ to ra ỏp sut bÂm ln, dũng chy u. ầ ci thiỏn hiỏu sut bÂm v viỏc ch to c dò dng hÂn, phn ln cỏc vi bÂm iỏn thẩm sā dăng cÃu trúc xßp thay vì cÃu trúc mát kênh đ¢n giÁn [22]. Paul và cáng sự đã chÃ t¿o thành cơng mát vi b¢m đián thẩm với lu lng bÂm t 0,04àL/phỳt, ỏp sut 4000 kPa, hot đáng á đián áp 1500V [23].

1.1.1.4. Vi bơm từ thủy ộng học (MHD - Magnetohydrodynamic micropump).

Mát lo¿i bÂm phi cÂ hóc iần hỡnh khỏc, ú l bÂm tÿ thąy đáng hãc. Vi b¢m sā dăng lực Lorentz ầ bÂm cht lng nh miờu t trong Hỡnh 1.4. Đá lớn cąa lực Lorentz đ°āc cho bái công thćc:

Áp st cực đ¿i cąa vi b¢m đ°āc tính theo cơng thćc (6) [24]:

Đáng thßi, tßc đá dịng chÁy ln nht [24]: ỵ = ỵỵ /4

Trong ú: Jy : mÁt đá dòng đián

Bx : mÁt đá tÿ thông L : đá dài cąa đián cực

w : khoÁng cách hai đián cực

Dh : đ°ßng kính quy đãi cąa vi kênh (bằng dián tích mặt cÃt ngang chia cho chu vi cąa vi kênh).

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Jang và Lee đã nghiên cću và chÃ t¿o vi b¢m MHD với đián áp ho¿t đáng tÿ 10 tới 60 VDC, mÁt đá tÿ thông 0,44 T đ°āc t¿o bái nam châm vĩnh cu [25]. Tòc ỏ bÂm ln nht c ghi nhn đ¿t 63μL/phút. Kang và Choi đã nghiên cću và thiÃt kÃ và chÃ t¿o vi b¢m MHD có chćc nng trán, trong đó chÃt lỏng đ°āc trán và b¢m cùng mát lúc bằng cách ghép giăa lực Lorentz và lực đián di cąa đián tích trong đián tr°ßng [26].

Hiỏu sut ca bÂm t thy ỏng hóc thòng bỏ giới h¿n bái mÁt đá tÿ thơng. Ngồi ra, nó chò cú thầ vn chuyần cht lng dn iỏn v có thÇ phát sinh nhiát trong q trình ho¿t đáng.

1.1.1.5. Vi bơm iện ộng học (EHD - Electro Hydrodynamic Micropump)

Trong vi b¢m EHD, lực đ°āc t¿o ra bỏi s tÂng tỏc gia iỏn tròng v cỏc đián tích chun đáng trong chÃt lỏng nh° mơ tÁ trong Hình 1.5. Các đián cực đ°āc đặt trong vi kênh theo chiÅu dãc. Các h¿t mang đián đ°āc t¿o ra tÿ các đián cực sÁ chuyÇn đáng theo h°ớng ca iỏn tròng v kộo cht lng di chuyần theo. ChÃt lỏng sā dăng trong vi b¢m phÁi có đá d¿n đián thÃp hoặc là chÃt đián môi. MÁt đá lực đián Fe đ°āc t¿o ra tÿ đián tr°ßng đặt vào có c°ßng đá E đ°āc tính theo cơng thćc (8):

ĂĂ = Ăā + ÿ. �㗻ā 2 12ā2�㗻�㔀 +12�㗻 [ā2(ÿĀÿÿ)

ĀĀ] (8) Trong đó:

q: mÁt đá đián tích

·: hằng sß đián mơi ρ: mÁt đá chÃt lỏng T: nhiát đá chÃt lỏng

P: vect¢ phân cực

Các đián tích đ°āc phát ra tÿ mát đián cực và đ°āc thu l¿i á đián cc kia. Cỏc vi bÂm EHD thòng l loi cm ćng, phân cực hoặc kéo đián tích, mßi

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

loi u cú phÂng phỏp riờng ầ a các h¿t tích đián vào dung dách chÃt lỏng b¢m [27].

Hình 1.5. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm EHD

Ritcher và Sandmaier đã chÃ t¿o bá vi b¢m EHD phun tích đián mát chiÅu đÅu tiên bao gám hai l°ới đián cách ly [28]. Tßc đá dòng chÁy 15.000μL/phút và cát áp 1,72 kPa đ¿t đ°āc á đián áp 800V. Fuhr và cỏng s ó phỏt triần mỏt vi bÂm EHD loi cÁm ćng đÅu tiên [29]. Tßc đá dịng chÁy 0,05-5μL/phút đã đ°āc ghi nhÁn. Darabi và cáng sự nghiên cću mỏt vi bÂm phõn cc EHD ầ lm mỏt trong thiÃt bá đián tā [30, 31]. Nguyên m¿u chÃ t¿o có cơng st làm mát tßi đa là 65W/cm2với áp suÃt đ¿t 250 Pa.

1.1.2. Vi bơm cơ học

Khác với vi b¢m phi c¢ hãc, vi b¢m c¢ hãc có mát hoặc nhiÅu thành phÅn chun đáng đ°āc sā dăng trong q trình ho¿t đáng cąa b¢m. PhÅn ln nhng vi bÂm cÂ hóc s dng chuyần ỏng ca cỏc mng bÂm ầ to ra s chờnh lỏch áp suÃt cÅn thiÃt nhằm di chuyÇn chÃt lỏng, t¿o dòng chÁy [32]. Sự dao đáng cąa các màng này th°ßng đ°āc thực hián nhß tác đáng cąa đián tr°ßng, tÿ tr°ßng hoặc tác đáng nhiát. Các dao đáng này sÁ t¿o ra thay đãi áp

suÃt (ΔP) và là mát hàm cąa thÇ tích hành trình bên trong buỏng bÂm (V). Vi

V0l thầ tớch cht ca buỏng b¢m, tỷ lá nén đ°āc đánh nghĩa nh° sau:

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Hiáu suÃt cąa vi b¢m c¢ hãc thòng bỏ gii hn bỏi cỏc thnh phn cÂ hóc ca nú. iần hỡnh, trong sò cỏc loi vi bÂm ny l vi bÂm gòm ỏp iỏn, tnh iỏn, khớ nén nhiát, đián tÿ, l°ÿng kim, nhu đáng và vi b¢m pít tơng.

1.1.2.1. Vi bơm tĩnh iện (Electrostatic Micropumps)

Lo¿i vi b¢m này sā dăng lc tnh iỏn ầ to chuyần ỏng ca mng bÂm. Chênh lách áp suÃt gây ra bái đá lách màng b¢m trong buáng b¢m buác chÃt lỏng trong khoang chća chÁy tới vi kênh. Lực tĩnh đián tác dăng lên các tÃm tĩnh đián có thÇ đ°āc biÇu thá bằng ph°¢ng trình:

V : đián áp đặt vào đián cực

Hình 1.6. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm tĩnh điện

Viác chÃ t¿o các vi b¢m ho¿t đáng theo c¢ chÃ tĩnh đián trên chip đián tā th°ßng đ°āc coi là dß dàng, nh°ng bá truyÅn đáng tĩnh đián th°ßng có biên

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

ỏ hnh trỡnh nh v cú thầ dò dng kiầm sốt bằng đián áp đặt vào đián cực. ¯u điÇm chính cąa vi b¢m tĩnh đián là tiêu thă đián nng thÃp và đáp ćng

nhanh.

Vi b¢m tĩnh đián đÅu tiên đ°āc chÃ t¿o bái Judy và các cáng sự sā dăng công nghá vi gia công bÅ mặt [33]. Nó bao gám mát van chą đáng mát chiÅu, buáng b¢m và mát van á đÅu ra. Các kÃt q thí nghiám đÅu tiên cąa vi b¢m tĩnh đián đã đ°āc nghiên cću bái Zengerle và các cáng sự [34]. Trong nghiên cću đó, tßc đá dịng chÁy cąa vi b¢m là 70μL/phút và áp suÃt ng°āc 2,5 kPa đ°āc quan sát á mćc đián áp 170V với tÅn sß 25 Hz. Cabuz và cáng sự đã giới thiáu vi b¢m tĩnh đián màng kép sā dăng kỹ thuÁt ép phun [35]. Vi b¢m có khÁ nng b¢m hai chiÅu nh°ng chß đ°āc sā dăng cho chÃt khí. Vi bÂm cú tòc ỏ dũng chy 30L/phỳt ti giỏ trỏ đián áp 160V ćng với tÅn sß 30Hz và cơng suÃt tiêu thă 8mW. Machauf và cáng sự đã nghiên cu vi bÂm cú mng bÂm chuyần ỏng nhò lc tĩnh đián thơng qua chính chÃt lỏng đ°āc b¢m [36]. Ý t°áng này dựa trên khÁ nng chÃt lỏng b¢m đ°āc phép áp đián thÃ cao. Tuy nhiên, thiÃt kÃ vi bÂm ny chò phự hp vi cỏc cht lng ít d¿n đián. Vi b¢m có l°u l°āng dịng chÁy 1μL/phút ćng với đián áp tĩnh đián 50V đã đ°āc Lee và cáng sự chÃ t¿o và thā nghiám [37]. Vi b¢m khí tĩnh đián nhu đáng sā dăng cáng h°áng chÃt lỏng cho tßc đá dịng chÁy cao và cÃu hình nhu đáng nhiÅu tÅng. Bá vi b¢m có áp suÃt dao đáng tÿ 7,3 kPa đÃn 3,3 kPa và tßc đá dịng chÁy tÿ 0,29 sccm đÃn 0,07 sccm trong khoÁng thßi gian dao đáng tÿ 0,05 chu kỳ và 0,35 chu kỳ má van. Lil và cáng sự đã đÅ xt mơ hình vi b¢m có màng b¢m với bá truyÅn đáng tĩnh đián và sā dăng phn mm MATLAB ầ mụ phng vi bÂm ny [38]. KÃt q tính tốn cho thÃy với màng b¢m tĩnh đián sā dăng vÁt liáu

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

silic thì tÅn sß cáng h°áng là 635 Hz. Khi sā dăng phÅn mÅm FEM (Finite Element Method) thì giá trá này là 680 Hz.

1.1.2.2. Vi bơm áp iện (Piezoelectric Micropumps)

S chuyần ói bin dng cÂ hóc thnh tín hiáu đián và ng°āc l¿i đ°āc gãi là hiáu ćng áp đián. CÃu trúc tinh thÇ cąa vÁt liáu có tính chÃt áp đián th°ßng khơng có tâm đßi xćng. Vì vÁy, khi có mát ćng st tác dăng lên các vÁt liáu sÁ làm thay đãi khoÁng cách giăa ngun tā đián tích d°¢ng và ngun tā đián tích âm, d¿n đÃn sự phân cực đián trên bÅ mặt và sinh ra mát đián tr°ßng ćng với hiáu đián thÃ đ°āc t¿o ra trong các vÁt liáu đó.

Hình 1.7. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm áp điện

Các vi b¢m sā dăng c¢ chÃ áp đián đ°āc ćng dăng phã biÃn trong lĩnh vực phân phßi thußc và các ćng dăng y sinh khác. u iầm chớnh ca vi bÂm s dng bỏ truyn đáng áp đián bao gám lực truyÅn đáng lớn, đáp ćng nhanh, cÃu trúc đ¢n giÁn và khÁ nng cách iỏn vi mụi tròng bÂm nhò cỏc lp ph ngn cách lên màng PZT. Tuy nhiên, viác chÃ t¿o các vÁt liáu áp đián nh° vÁy trên mát con chip (Lab on a Chip) sÁ rÃt phćc t¿p. Mát nh°āc iầm khỏc na l iỏn ỏp iu khiần tÂng òi cao nh°ng áp lực sinh ra nhỏ [39].

Vi b¢m áp đián đÅu tiên đ°āc chÃ t¿o bằng công nghá vi chÃ t¿o bái Van Lintel [40]. Vi b¢m bao gám mát buáng b¢m, van mát chiÅu silic (Si) thă đáng

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

và mát màng thąy tinh mỏng đ°āc kích ho¿t bái đĩa piezo. Vi b¢m có tßc đá dịng chÁy tßi đa 8μL/phút và áp st b¢m là 9,8 kPa đo đ°āc á đián áp 125V với tÅn sß 1Hz. Esashi và cáng sự chÃ t¿o thnh cụng vi bÂm ỏp iỏn ba lp vi tòc đá dịng chÁy là 15μL/phút và áp st b¢m là 6,4 kPa á đián áp 90V với tÅn sß 30Hz [41]. Koch và cáng sự đã thiÃt kÃ mát vi b¢m áp đián dựa trên viác in lăa vÁt liáu PZT (Lead Zirconated Titanate) trên màng Si [42]. Tßc đá dịng chÁy cąa vi b¢m là 120μL/phút và áp suÃt ng°āc là 2 kPa t¿i giá trá đián áp 600V với tÅn sß 200Hz. Schabmueller và cáng sự chÃ to vi bÂm ỏp iỏn cú tòc ỏ dũng chy là 1500μL/phút và áp suÃt ng°āc 1 kPa khi sā dăng dung dách b¢m là ethanol [43]. Feng và Kim đã nghiên cću vi b¢m áp đián bao gám các van parylene mát chiÅu [44]. KÃt quÁ cho thÃy, tßc đá dịng chÁy cąa vi b¢m là 3,2 μL/phút và áp suÃt ng°āc 0,2 kPa đ°āc quan sát á mćc đián áp 80V và mćc tiêu thă đián nng thÃp h¢n 3mW. Geipel và cáng sự đã nghiên cću thiÃt k mỏt kiầu vi bÂm mi cú tòc ỏ dũng chÁy đác lÁp với áp suÃt dòng chÁy ng°āc [45]. Tính đác lÁp cąa áp suÃt ng°āc đ°āc báo cáo lờn n 20 kPa ỏ tn sò thp. Vi bÂm có thÇ đ¿t l°u l°āng 50nL/phút. Trenkle và cáng sự nghiên cću mát vi b¢m có vi mơ nhu đáng đ°āc kích ho¿t bằng phÅn tā áp đián [46]. Tßc đá dịng chÁy 40μL/phút thu đ°āc á tÅn sß 28,6 Hz khi sā dăng n°ớc. Tßc đá dịng chÁy đ°āc quan sát là đác lÁp với áp suÃt ng°āc lên đÃn 7 kPa, với áp suÃt ng°āc tßi đa là 45 kPa á 140V. Johari và cáng sự đã nghiên cću viác chÃ t¿o mát vi b¢m áp đián sā dng mng bÂm bng silic dựng cho hỏ thòng phõn phßi thc [47]. Viác phân tích đặc tính chÃt lỏng đ°āc thực hián bằng ch°¢ng trình mơ phỏng CoventorWare. B¢m đ°āc mơ phỏng và làm viác á đián áp chß 10V. Wang và cáng sự đã nghiên cću Ánh h°áng cąa sự bÃt đßi xćng cąa dịng chÁy dãc lên kh nng bÂm bng cỏch s dng mỏt hỏ thòng b¢m đ¢n giÁn bao gám mát bá

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

rung áp đián đ°āc đặt trong mát kênh [48]. Liu và cáng sự đã đÅ xuÃt mát bá vi b¢m áp đián hiáu suÃt cao dùng mát lÅn với bßn ngn đ°āc kÃt nßi nßi tiÃp dùng cho há thßng trá liáu insulin vịng kín [49]. KÃt q cho thÃy đá phân giÁi dịng ra cąa vi b¢m đ¿t c l 6,23 ì 1025 mL/xung. p sut ngc tòi đa 22 kPa á đián áp đặt là 36 Vpp và tÅn sß 200Hz. Với măc tiêu nhằm giÁm đián ỏp iu khiần mng bÂm PZT, Cazorla v cỏng s đã nghiên cću và sā dăng mát lo¿i gßm áp iỏn mng mng vi chiu dy chò 1,5àm, theo ú iỏn ỏp iu khiần mng bÂm gim xuòng thp ỏ giá trá 24V [50]. Tuy nhiên, l°u l°āng b¢m đ¿t đ°āc á đián áp này cũng khá thÃp, á mćc 3,5µl/phút. H.K. Ma và các cáng sự đã nghiên cću và chÃ t¿o mát vi b¢m sā dăng màng b¢m PZT, trong đó, bng b¢m đ°āc thiÃt kÃ với các cÃu trúc d¿n h°ớng chÃt lỏng nhằm cÁi thián hiáu st b¢m [51]. B¢m có khÁ nng tự mái và tßc đá dịng chÁy cao đ¿t đ°āc á dÁi tÅn sß thÃp. L°u l°āng lớn nhÃt đ¿t đ°āc là 196mL/phỳt khi cht lng bÂm l nc ti tn sò 25Hz và đián áp 140V. Zang và cáng sự đã chÃ t¿o vi b¢m với cÃu trúc hai màng b¢m PZT [52]. Tác giÁ sā dăng lo¿i màng b¢m có đ°ßng kính 35mm với hai phÅn gßm áp đián khác nhau, mát phÅn đÇ t¿o dao đáng và phÅn cịn l¿i đÇ lÃy tín hiáu đián áp phÁn hái khi màng b¢m dao đáng. KÃt quÁ nghiên cću cho thÃy tín hiáu đián áp phÁn hái có biên đá tß lỏ vi lu lng ca bÂm. Khi tòc ỏ dũng chÁy đ¿t đÃn giá trá lớn nhÃt là 45,98mL/phút á tÅn sß 15Hz, đián áp phÁn hái cąa màng PZT đÅu ra và đÅu vào cũng đ¿t giá trá lớn nhÃt t°¢ng ćng là 6,80 Vpp và 19,4 Vpp.

1.1.2.3. Vi bơm nhiệt khí nén (Thermo-pneumatic Micropumps)

Trong lo¿i vi b¢m nhiát khí nén, bá trun đáng ho¿t đáng dựa trên sự giãn ná nhiát cąa không khí. Mát khoang chća đÅy khơng khí đ°āc đánh kỳ và luân phiên nén và giãn bái mát cặp mô đun gia nhiát và làm mát. Sự thay đãi

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

thầ tớch ca buỏng bÂm theo chu kì t¿o cho màng b¢m mát đáng l°āng đÅu đặn đÇ t¿o ra dịng chÁy cąa chÃt lỏng. Sự gia tng áp st trong chÃt lỏng đ°āc thÇ hián thơng qua ph°¢ng trình sau [53]:

Hình 1.8. Mơ hình ngun lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén

Van De Pol và cáng sự đã đÅ xuÃt vi b¢m khí nén đÅu tiên dựa trên cơng nghá vi chÃ to [54]. Vi bÂm cú tòc ỏ dũng chy 34 μL/phút đ°āc quan sát á đián áp đặt vào 6 V với nhiát đá khoÁng 30˚C. Jeong và Yang đã nghiên cću vÅ mát vi b¢m khí nén với màng bÂm gp np [55]. Tòc ỏ dũng chy ca bÂm là 14 μL/phút t¿i giá trá đián áp đặt vào 8V ćng với tÅn sß 4Hz. Cooney và Towe đã đÅ xt mát bá vi b¢m khí nén bao gám bá gia nhiát màng mỏng, bá điÅu chßnh dòng chÁy và hai buáng chća [56]. Tßc đá dịng chÁy tßi đa 1,4μL/phút đ°āc quan sát với cơng st tiêu thă đián trung bình là 200mW. Kim và cáng sự đÅ xt mát vi b¢m khí nén với lớp thąy tinh, bá gia nhiát indium oxit thiÃc, buáng b¢m, màng và khoang chća làm bằng vÁt liáu PDMS

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

[57]. Vi bÂm cú tòc đá dòng chÁy 0,078 μL/phút đ¿t đ°āc á đián áp đặt vào là 55V với tÅn sß 6Hz. Jeong và Konishi đã chÃ t¿o vi b¢m có bá vi mơ nhu đáng bao gám ba thiÃt bá truyÅn đáng nhiát khí nén xÃp tÅng và kênh vi lỏng kÃt nßi hai kênh vào/ra [58]. Tßc đá dịng chÁy 73,9μL/phút khi sā dăng n°ớc khā ion á áp suÃt ng°āc bằng không.

1.1.2.4. Vi bơm iện từ (Electromagnetic Micropumps)

Vi b¢m đián tÿ sā dăng nam châm đián là mát lo¿i nam châm ho¿t đáng dựa trên sự kÃt hāp cąa đián tr°ßng và tÿ tr°ßng. Khi dịng đián ch¿y qua cuán dây sÁ sinh ra tÿ tr°ßng và ng°āc l¿i khi tÿ tr°ßng biÃn thiên sÁ sinh ra dịng đián trong cn dây. C°ßng đá tÿ tr°ßng cąa nam chõm iỏn cú thầ dò dng thay ói bng cách thay đãi c°ßng đá dịng đián ch¿y qua các cn dây.

Hình 1.9 mơ tÁ cÃu t¿o cąa mát vi b¢m đián tÿ. Vi b¢m có màng b¢m đ°āc gÃn với mát nam châm, cuán dây đ°āc cÃp dòng đián thay đãi t¿o ra lực đián tÿ tác đáng lên nam châm gÃn màng b¢m. Màng b¢m đ°āc kéo giãn bằng lực tÿ và t¿o ra sự chênh lách áp st trong bng b¢m, tÿ đó đẩy dung dách ra ngoi. Vi bÂm iỏn t cú nhc iầm l tiêu thă nng l°āng cao và sinh nhiát lớn, đáng thßi khó khn trong viác thu nhỏ, do kích th°ớc cąa cn dây đián tÿ [59].

Hình 1.9. Mơ hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện từ

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Vi b¢m đián tÿ đÅu tiên sā dăng màng tÿ tính Ni80Fe20 dày 7μm đ°āc m¿ đián trên màng Si dày 17μm do Zheng và Ahn đÅ xut [60]. Vi bÂm cú tòc ỏ bÂm ln nht 20μL/phút á đián áp đặt vào 3V ćng với tÅn sß 5Hz và dịng đián ch¿y trong cn dây cÁm ćng 300mA. Bohm và cáng sự thiÃt kÃ mát vi b¢m đián tÿ bao gám hai van gÃp l¿i với mát màng mỏng á trung tâm, đÅu vào/đÅu ra á di v mng bÂm ỏ trờn cựng [61]. Tòc ỏ dịng chÁy tßi đa là 40000 μL/phút đßi với khơng khớ v 2100 L/phỳt òi vi dung dỏch bÂm l n°ớc đã đ°āc quan sát, với mćc tiêu thă đián l 0,5 W. Mỏt vi bÂm iỏn t bòn lp đ°āc thiÃt kÃ và các đặc tính tĩnh/đáng cąa nó đã đ°āc nghiên cću bái Gong và cáng sự [62]. Trong nghiên cću đó, tác giÁ sā dăng cơng că FEM ầ phõn tớch ỏ vừng ca mng bÂm bỏi các lực tác đáng cąa tÿ tr°ßng khác nhau. Tßc đá dịng chÁy tßi đa 70 μL/phút đ°āc quan sát á tÅn sß 125Hz. Yamahata và cáng sự đã nghiên cću mát vi b¢m đ°āc chÃ t¿o bằng vÁt liáu PMMA (Polymethyl-methacrylate) với màng b¢m đián tÿ [63]. Tßc đá dịng chÁy tßi đa 400μL/phút và áp st ng°āc 1,2 kPa đ°āc quan sát á tÅn sß cáng h°áng 12Hz và 200Hz. Su và cáng sự đã công bò viỏc ch to vi bÂm iỏn t khụng cú van với hai màng chÃn linh ho¿t song song [64]. Tßc đá dịng chÁy lớn nhÃt là 6μL/s và đá dỏch chuyần 0,30 mm c quan sỏt ỏ tn sò 100 Hz với dòng đián cÁm ćng 0,3A. Balaji và cáng sự đã nghiên cću viác thiÃt kÃ, chÃ t¿o và thā nghiám mát vi b¢m phẳng có đá dày cÿ mm [65]. Tßc đá dịng tßi đa 15μL/phút đ°āc quan sát á đián áp đặt vào 2,5 V với tÅn sß 68Hz và dịng đián 19mA. Yu-Feng và cáng sự đã nghiên cću mát vi b¢m khơng van thă đáng song song với màng b¢m và cuán dây đián tÿ [66]. Tßc đá dịng lớn nhÃt là 6μL/s và ỏ dỏch chuyần ca mng bÂm l 30 m c quan sát á tÅn sß 100Hz với dịng đián 0,3A. Halhouli và cáng sự đã nghiên cću thiÃt kÃ mát vi b¢m đián tÿ mới dựa trên

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

chuyÇn đáng quay cąa hai nam châm cćng đ°āc giă trong kênh, có cực tính đßi lÁp nhau [67]. Tòc ỏ dũng chy tòi a ca vi bÂm l 13,7 mL/phút á 200 vòng/phút và áp suÃt 785 Pa á 136 vòng/phút đã đ°āc ghi nhÁn.

1.1.2.5. Vi bơm nhu ộng

Vi b¢m nhu đáng ho¿t đáng dựa trên sự biÃn d¿ng liên tiÃp cąa các màng b¢m ầ to dũng chy. Cỏc mng bÂm c khỏi đáng theo trình tự bái tác đáng tÿ bên trong hoặc bên ngồi b¢m. H°ớng cąa dịng chÁy đ°āc xác đánh bái thć tự khái đáng cąa các màng b¢m. Hình 1.10 mơ tÁ vi b¢m nhu đáng với 3 bng b¢m, các van sÁ đ°āc đóng má theo thć tự nh° hình vÁ bái lực tÿ bên ngồi nh° trăc cam hoặc khí nén. Sự đóng má các van theo mát trình tự că thÇ sÁ t¿o dịng chÁy á đÅu ra và hút chÃt lỏng á phía đÅu vào.

Hình 1.10. Mơ hình vi bơm nhu động với 3 buồng nối tiếp

Uvarov và cáng sự đã nghiên cću và chÃ t¿o mát vi b¢m nhu đáng vi 3 buỏng bÂm cú òng kớnh 500 àm v đ°āc nßi với nhau bái kênh vi lỏng có đ°ßng kớnh 50 àm [68]. Khong cỏch gia cỏc buỏng bÂm l 500 àm. Mng bÂm c iu khiần bỏi viỏc giãn ná tÿ q trình hình thành các bong bóng hydro và oxy trong bng b¢m. Các bong bóng này đ°āc t¿o ra bằng cách đặt mát chußi các xung đián áp ngÃn xoay chiÅu vào các đián cực bên trong bng b¢m. Vi b¢m đ°āc chÃ t¿o bằng cơng nghá phòng s¿ch tiêu chuẩn dựa trên vÁt liáu thąy tinh v silic. Tòc ỏ dũng chy ca bÂm o đ°āc là 1,5 µL/phút, đá

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

chính xác vÅ liÅu l°āng có thÇ đ¿t đ°āc là 0,25 nL. Với đá chính xác đ¿t đ°āc nh° vÁy, vi bÂm cú thầ c ng dng trong cỏc thit bá phân phßi thußc cÅm tay. Tuo Ma và cáng s ó phỏt triần mỏt vi bÂm nhu ỏng ầ ćng dăng trong các chip vi lỏng [69]. B¢m sā dng bỏ phn chuyần ỏng l ba cÂ cu ỏp đián tách biát đ°āc đặt lên mát kênh vi lỏng có khÁ nng giãn, nén đàn hái. D°ới tác đáng cąa 3 c¢ cÃu áp đián đặt bên ngồi, kênh vi lỏng sÁ bá nén và đàn hái trá l¿i trng thỏi ban u giòng nh mỏt mng bÂm. Với thiÃt kÃ plug-and-play, vi b¢m cho phép sā dăng ầ bÂm nhiu loi cht lng khỏc nhau chò Ân giÁn bằng viác thay thÃ các kênh vi lỏng và gi nguyờn cÂ cu chuyần ỏng ỏp iỏn v iu khiÇn. ĐiÅu này phù hāp đÇ áp dăng vào viác phát triÇn các chip vi lỏng sā dăng l¿i nhiÅu lÅn. KÃt q thā nghiám cho thÃy vi b¢m có thầ bÂm cht lng vi ỏ phõn gii cao, ỏ mc 8,4 nL/S, tòc ỏ bÂm tòi a cú thầ đ¿t đ°āc là 102 nL/s, áp suÃt ng°āc lên đÃn 2 Kpa. Pecar và cáng sự giới thiáu mát vi b¢m nhu đáng với mát c¢ cÃu truyÅn đáng áp đián duy nhÃt. ĐÅu ra cąa vi b¢m đ°āc kÃt nòi vi buỏng bÂm qua mỏt vi kờnh [70]. Bòn nguyên m¿u đã đ°āc chÃ t¿o và kÃt quÁ thā nghiám cho thÃy l°u l°āng cąa vi b¢m đ¿t đ°āc 0,24 mL/phút và áp suÃt ng°āc là 36 kPa t¿i đián áp 230 V.

1.1.3. Phần từ vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van

Mát vi bÂm lý tỏng s chò cho phộp dũng chy i theo mát h°ớng tÿ nguán chÃt lỏng đÃn đích. Tuy nhiờn, trong thc t, vi bÂm thòng cú dũng chy ngc khụng mong muòn. ầ dũng chy bờn trong vi b¢m là đ¢n h°ớng, vi b¢m phÁi sā dăng c¢ chÃ điÅu chßnh dịng chÁy. Hai chiÃn l°āc chung th°ßng gặp là sā dăng vi van hoặc sā dăng phÅn tā chßnh l°u chÃt lỏng thă đáng.

Vai trị cąa vi van trong vi b¢m là cho phép dịng chÁy theo h°ớng thn và ćc chÃ hoặc giÁm thiÇu dịng chÁy theo h°ớng ng°āc l¿i. ĐiÅu này đ°āc gãi là các <đặc tính diode= cąa vi van. Hình thćc đ¢n giÁn nhÃt cąa vi van là van

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

mát chiÅu. Nó sā dăng mát cái nÃp linh ho¿t, đ°āc làm tÿ vÁt liáu màng mỏng, hoặc PDMS. Hình 1.11 mơ tÁ ho¿t đáng cąa b¢m có sā dăng hai van mát chiÅu. à chu kỳ hút, khi thầ tớch buỏng bÂm tng lờn, ỏp sut buỏng bÂm giÁm, dòng chÁy tÿ đÅu vào sÁ tác đáng lên nÃp van làm van sß 1 má. Tuy nhiên, cũng do sự giÁm áp suÃt trong buáng b¢m này mà nÃp van 2 bá đóng l¿i, kÃt quÁ là mát thầ tớch cht lng c y vo trong buỏng bÂm (Hình 1.11.a). Ng°āc l¿i, á chu kỳ đẩy, áp suÃt trong bng b¢m tng sÁ làm van 1 đóng, van 2 mỏ ầ y cht lng t buỏng bÂm i ra theo chiÅu mong mn (Hình 1.11.b).

Hình 1.11. Mơ hình vi bơm pít tơng sử dụng van một chiều

Mặc dù các vi van này có hiáu suÃt cao trong viác điÅu h°ớng dòng chÁy và mang l¿i khÁ nng kiầm soỏt ln hÂn, nhng chỳng cú nhiu nhc iầm lm cho khú kt hp vi vi bÂm. Viỏc tích hāp vi van này vào vi b¢m v¿n là thách thćc trong quá trình chÃ t¿o và thu nhỏ vi bÂm. Cỏc vi bÂm vi vi van thòng cú cÃu trúc phćc t¿p. ĐiÅu này sÁ làm tng chi phí và nguy c¢ thÃt b¿i trong chÃ t¿o. Ho¿t đáng cąa các vi van này có sự chun đáng cąa các bá phÁn biÃn d¿ng. Do vi van bá biÃn d¿ng với tÅn suÃt cao khi b¢m ho¿t đáng, đặc biát

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

là van mát chiÅu, các bá phÁn này có thÇ bá bào mịn theo thòi gian, bỏ v hoc khụng thầ trỏ li trng thái bình th°ßng ban đÅu. Trong nhiÅu ćng dăng y sinh, vi bÂm thòng c dựng ầ vn chuyần t bào, phân tā và các lo¿i h¿t khác có các tính chÃt dß bá thay đãi hoặc h° h¿i bái các tác đáng c¢ hãc và vi b¢m với vi van th°ßng khơng phù hāp cho ćng dăng y sinh nh° vÁy [71].

Tÿ nhăng nh°āc điÇm phân tích á trên, mát giÁi pháp đÇ kiÇm sốt h°ớng cąa dịng chÁy dựa vào các cÃu trúc hình hãc cß đánh đã đ°āc sā dăng. CÃu trúc hình hãc cß đánh này đôi khi đ°āc gãi là van không di chuyÇn (No Moving Part Valve- NMPV). Khi chúng đ°āc kÃt hāp với vi b¢m, các vi b¢m này đ°āc gãi là vi b¢m khơng van vì chúng khơng sā dăng van ầ iu chònh lu lng. Vi bÂm khụng van l mỏt la chón tòt hÂn khi s dng trong y sinh. Các van NMPV t¿o ra sćc cÁn đßi vi dũng chy theo hng khụng mong muòn ln hÂn là theo h°ớng mong mn. Chúng t¿o ra mát dịng chÁy theo h°ớng thn mà khơng có c¢ cÃu hay bá phÁn chun đáng. Mát ví dă đáng chú ý cąa van NMPV là phÅn tā vòi phun/khuÃch tán nh° mơ tÁ trong Hình 1.12.

Hình 1.12. Thiết kế chung của phần tử vòi phun/khuếch tán

Sau khi đ°āc giới thiáu vào nm 1993 bái E. Stemme, phÅn tā vòi phun/khuÃch tán đã nhÁn đ°āc rÃt nhiÅu sự quan tâm cąa các nhà nghiên cću

</div>