Luận án tiến sĩ: Chế tạo kênh dẫn vi lỏng bằng công nghệ in phun trên đế giấy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRUONG DH KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIEN CÔNG NGHỆ NANO LÊ NGUYÊN NGÂN NGHIÊN CỨU CHE TẠO KENH DAN VI LỎNG BANG CÔNG NGHỆ IN PHUN TREN DE GIAY UNG DUNG TRONG CAM BIEN SINH HQC LUAN AN TIEN SI KHOA HOC VAT LIEU TP. Hồ Chí Minh — Năm 2021 ; ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HCM | TRUONG ĐH KHOA HOC TỰ NHIÊN VIỆN CÔNG NGHỆ NANO LÊ NGUYÊN NGÂN NGHIÊN CUU CHE TẠO KENH DẪN VI LONG BANG CÔNG NGHỆ IN PHUN TREN DE GIAY UNG DUNG TRONG CAM BIEN SINH HỌC Ngành: Khoa học vật liệu Mã số ngành: 62440122 Phản biện 1: GS.

Nguyễn Quốc Hiến Phản biện 2: PGS. Nguyễn Tiến Thắng Phản biện 3: PGS. Huỳnh Đại Phú Phản biện độc lập 1: GS. Lê Quốc Minh Phản biện độc lập 2: GS.

Nguyễn Quốc Hiến NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Đặng Mậu Chiến TP. Hồ Chí Minh - Năm 2021 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cam ơn GS.TS Đặng Mậu Chiến, người đã tận tình hướng dẫn cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Thay là người đã định hướng, tạo điều kiện cho tôi có cơ hội nghiên cứu tại Viện Công nghệ Nano — Đại học Quốc gia Thành phó Hồ Chí Minh cũng như thực tập nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản dé có thể hoàn thành Luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Phan Thị Cẩm Huệ, đồng nghiệp và cũng là người vợ luôn sát cánh bên cạnh tôi, giúp tôi vượt qua những khó khăn trong nghiên cứu và cuộc sông. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Trần Kim Hương, TS Đặng Thị Mỹ Dung cũng như các thành viên trong nhóm nghiên cứu vật liệu nano và công nghệ in phun tại Viện Công nghệ Nano — Đại học Quốc gia Thành phó H6 Chí Minh đã luôn giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành Luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến GS Yuzuru Takamura, TS Phan Trọng Tuệ đã hỗ trợ, hướng dẫn, góp ý cho tôi trong thời gian thực tập tại Phòng thí nghiệm Takamura, Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản. Con xin gửi lời cảm ơn sâu sac đên bô mẹ, những người đã luôn bên cạnh con, đã luôn ủng hộ con, mong cho con thành đạt trong cuộc sống.

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan Luận án tiến sĩ ngành Khoa học vật liệu, với đề tài “NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO KÊNH DẪN VI LỎNG BẰNG CÔNG NGHỆ IN PHUN TRÊN DE GIÁY UNG DỤNG TRONG CẢM BIEN SINH HỌC” là công trình khoa học do Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS Đặng Mậu Chiến. Những kết quả nghiên cứu của Luận án hoàn toàn trung thực, chính xác và không trùng lắp với các công trình đã công bố trong và ngoài nước. Nghiên cứu sinh Lê Nguyên Ngân ii n0. i LOT CAM DOAN wiseccssssssssssscscccsccscescnsssssssnnnussssssssssssesceccecsecesesssssssssssnsunnsessecsseeseeeed ii MỤC LUC.

iii DANH MỤC TỪ VIET TAT.ccssssssssssssssssesssseeececcececceecceesessnnnnsunmnessesseeeeeeeeseeeeeet vii DANH MỤC BANG BIỀU.---cee<<©©CEEEE+xettrttrtrkkrreertstrrkrree viii DANH MỤC HÌNH VE o. xvii CHƯƠNG 1. TONG QUAN issssssssssssscsccccecccensnssssusnusnssssessseeeeceseceeceeeeeesssnssnsnsensseess 1 1. Tổng quan về kênh dẫn vi long và linh kiện Vi lỏng.

Định nghĩa kênh dẫn vi lỏng và linh kiện vi long. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Tình hình nghiên cứu trong nưỚC. Ứng dụng của linh kiện vi lỏng.

Một số loại vật liệu được sử dụng làm để của linh kiện vi lỏng. Tổng quan về phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy. Phương pháp cắt và tạo hình (cutting/shaping). Phương pháp thủ công (handcraft).

Phương pháp mặt nạ (mask). Phương pháp in ấn (printing). Tổng quan về công nghệ in phum. Tổng quan về cảm biến sinh học vi lỏng trên để giấy.

Định nghĩa cảm biến sinh học vi lỏng trên dé giấy. Cảm biến sinh học trên đề giấy định lượng human chorionic gonadotropin 1. Quy trình xét nghiệm miễn dịch hấp thụ liên kết với enzyme (ELISA) 32 1. Các kỹ thuật có định lên bề mặt rắn trong ELISA.

Ứng dụng quy trình xét nghiệm miễn dịch hấp thụ liên kết với enzyme (ELISA) lên cảm biến sinh học trên dé giấy. Human chorionic gonadotropin và tầm quan trọng của việc định TUG 1. Mục tiêu va quy trình thực nghiệm chung của Luận án. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.

Vật liệu, hóa chất dùng cho các thí nghiệm. Dé giấy Nitrocellulose (NC). Hóa chất dùng cho quy trình phối trộn mực in hữu cơ. Hóa chất dùng cho quy trình sinh học.

Các thiết bị thí nghiệm chủ yếu trong Luận án. Thiết bị in phun áp điện chuyên dụng Ceraprinter X-serie. Thiết bị in phun điện thủy động PSJET-300-V. Thiết bị kéo ống thủy tinh (glass puller).

Thiết bị mài vi mô (ICTOBTiTI€T). Các quy trình thực nghiệm 2. Phối trộn mực in hữu €ơ. Kiểm tra độ nhớt của mực trước khi in.

Quy trình in phun áp điện tạo rãnh chắn ky nước. Quy trình in phun điện thủy động tạo rãnh chắn ky nước. Quy trình chuẩn bị chất sinh học và chế tạo cảm biến sinh học hoàn chỉnh 2. Thử nghiệm đánh giá tính năng của cảm biến sinh học trên đề giây.

KET QUA VÀ THẢO LUẬN. Kết quả khảo sát mực in dung môi hữu cơ sử dụng trong chế tạo kênh AN Vi TONG 777. Kết quả khảo sát độ nhớt của mực in dung môi hữu cơ. Kết quả đánh giá sức căng bề mặt mực in dung môi hữu cơ.

Kết qua quan sát giọt mực của hỗn hợp mực in DEGBE/C¡2Eo. Chế tạo rãnh chắn nước trên dé giấy bằng công nghệ in phun áp điện sử dụng thiết bị CeraPrinter X-serie. Kết quả khảo sát nhiệt độ đầu in. Kết quả khảo sát nhiệt độ đế.

Kết quả khảo sát số lớp với hỗn hợp mực in DEGBE/C¡zEo. Kết quả khảo sát khoảng cách giữa hai giọt mực rơi liên tiếp (drop SPACING). Chế tạo rãnh chắn nước trên dé giấy bằng công nghệ in phun điện thủy động sử dụng thiết bị PSJET-300-V. Kết quả khảo sát kích thước đường kính vòi phun.

Kết quả khảo sát vận tốc bàn di chuyển. So sánh rãnh chắn nước tạo bởi in phun điện thủy động và in phun áp điện 3. Kết quả khảo sát độ rộng kênh dẫn nước chế tạo bằng phương pháp điện thủy đỘng. hàng HH TH HT HH TT HH HH Hư 109 3.

Thiết kế cảm biến sinh học sử dụng kênh dẫn vi long trên dé giấy. Lựa chọn phương pháp chế tạo. Thiết kế 1 của cảm biến sinh học vi lỏng. Thiết kế 2 của cảm biến sinh học vi lỏng (dạng thu nhỏ).

Đánh giá tinh năng của cảm biến sinh học trên dé giấy. Đánh giá tính năng của cảm biến sinh học trên dé giấy chế tạo theo thiết kế se. Nội dung nghiên cứu đã thực hiện.--------css5ss=secseseeseeerseese 125 B. Kết quả đạt được - Những điểm mới trong Luận án.

Hướng nghiên cứu tiếp theo.- --s--<©vssecvvveseevvveeseerrveserrrr 127 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CUA NGHIÊN CỨU SINH LIEN QUAN DEN LUẬN ÁN TIEN SĨ oveccsssssccsssssecccssssecssssseccesssscccsssseccessssccesssnecessansccesssseccessnsecessssees 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC TỪ VIET TAT HPAD Microfluidic Paper-based Analytical Device: linh kiện phân tích vi lỏng trên đê giây Ab Antibody: kháng thể Ag Antigen: kháng nguyên ALP Alkaline phosphatase BCIP/NBT 5-bromo-4-chloro-39-indolyphosphate p-toluidine salt, nitro-blue tetrazolium chloride BSA Bovine serum albumin C¡2E Nonaethylene glycol monododecyl ether DEGBE Diethylene glycol monobutyl ether DPMA Dipropylene glycol methyl ether acetate EHD Electrohydrodynamic: điện thủy động ELISA Enzyme-Linked Immunosorbent Assay: xét nghiệm mién dich hap thụ liên kêt với enzyme FE-SEM Eield Emission Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FTIR Fourier Transform Infrared: phổ hồng ngoại biến đổi Fourier hCG Human Chorionic Gonadotropin INT Institute for Nanotechnology: Viện Công nghệ Nano JAIST Japan Advanced Institute of Science and Technology: Vién Khoa hoc va Cong nghé Tién tién Nhat Ban NC Nitrocellulose SDS Sodium dodecyl] sulfate TMB Tetramethyl Benzidine vii DANH MỤC BANG BIEU Bảng 1. Bang so sánh giữa phương pháp in phun trực tiếp va in phun gián Bảng 1. Danh sách vật liệu hoá chất sử dụng trong quy trình sinh hoc. Kết quả tính toán độ nhớt từ công thức Refutas va độ nhớt thực tế của hỗn hợp mực in phun DEGBE/C¡2Eo.

Độ nhớt và kết quả quan sát giọt mực của các hỗn hợp mực tạo thành từ Ci2E9 và DEGBE theo các tỷ lệ khác nhau. Kết quả quan sát giọt mực của hỗn hợp mực DEGBE/C¡2Es theo các giá trị điện thé pha một khác nhau.-----£2222vc+++tcczvszz 80 Bảng 3. Kết quả quan sát giọt mực của hỗn hợp mực DEGBE/C12E» theo các giá trị điện thế pha hai khác nhau. Kết quả kích thước độ rộng rãnh chắn theo nhiệt độ đề.

Kết quả kích thước độ rộng rãnh chắn theo số lớp in. Kết quả kích thước độ rộng rãnh chắn và độ dày lớp giấy NC còn lại theo khoảng cách giữa hai giọt mực rơi liên tiếp (drop spacing). 101 viii DANH MỤC HÌNH VE Hình 1. Tương quan kích thước của chip vi lỏng, tế bào, vi khuẩn [1].

Chip vi long dùng để trộn hai dòng chất long với nhau: thiết kế (hình trái) và chip vi lỏng sau khi được chế tạo (hình phải) [5]. Hình ảnh một vi hệ thống phân tích được gắn trên tay bệnh nhân [6]. Mô hình chíp vi lỏng phát hiện bệnh nha chu từ mau nước bọt [16]. Chíp vi lỏng T-mixer không thắng hàng có khả năng trộn lẫn hai dòng chất lỏng đầu vào có số Reynolds thấp [22].

Số lượng bài báo khoa học về linh kiện vi lỏng ứng dụng trong tách chiết chất lỏng được công bé từ 1978 đến 2020 [23]. Linh kiện vi lỏng trên đề giấy phân tích nồng độ glucose và BSA (trái) và kết qua thu được (phải) [§l].-----ccz£52222vvsccrtrvccrvsccee § Hình 1. Một vài dạng tổng hop vi hạt thường gặp [82]. Phương pháp tao giọt bằng cách day chat long ra khỏi vòi phun (a) va phương pháp trộn lẫn hai dòng chất lỏng không tan với nhau (b) [76,82] —.

Chíp vận chuyền thuốc được phát triển bởi nhóm nghiên cứu ở MIT - Massachusetts Institute of TechnolOgy. «¿+5 cssx+x+x+se£ 0 Hình 1. Các loại vật liệu thường được dùng để chế tạo chip vi lỏng [92]. Bồn nhóm phương pháp chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy [116] 16 Hình 1.

Quy trình chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên dé giấy bằng phương pháp quang khắc [81]. So sánh quy trình in phun trực tiếp và in phun gián tiếp [42]. Phương pháp chế tạo thành chan của kênh dẫn vi lỏng trên để giấy Nitrocellulose bằng mực in hữu cơ. Minh họa quy trình tạo chỉ tiết bằng kỹ thuật in phun.

Phan loai co ché hinh thanh giọt mực trong công nghệ in phun [140] Hình 1. Nguyên lý day (in) chất long bằng phương pháp nhiệt. Một số dạng đầu in của thiết bị in phun áp điện. Nguyên lý in phun sóng âm.-- - eee + ++++++£+S+£vzzvexexererkree 24 Hình 1.

Nguyên lý in phun điện thủy động (Electrohydrodynamic — EHD) [141] Hình 1. Mực bị kéo ra khỏi vòi phun dưới dạng hình nón Taylor.