Tóm tắt luận án Tiến sĩ Công nghệ kỹ thuật Điện tử, Truyền thông: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn

Chia sẻ: Yi Yi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này thực hiện nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một cấu trúc hệ thống cảm biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn hướng tới các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học.... Cấu trúc đề xuất hoạt động dựa trên nguyên lý điện dung vi sai với khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường đặc thù.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Công nghệ kỹ thuật Điện tử, Truyền thông: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------- TRẦN HOÀI NAM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRONG KÊNH DẪN Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8510302.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI – 2018
Mục lục Mục lục ................................................................................................. 1 MỞ ĐẦU .............................................................................................. 2 Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG........................................................ 4 1.1. Một số ứng dụng của Công nghệ Nano Sinh học .............. 4 1.2. Vi cảm biến kiểu tụ điện .................................................... 5 Chương 2. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRONG KÊNH DẪN....................... 8 2.1. Cấu trúc cảm biến. ............................................................. 8 2.2. Mô phỏng phần cứng. ........................................................ 9 2.3. Thiết kế mạch điều khiển tập trung tế bào. ...................... 13 Chương 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM ........................................ 17 KẾT LUẬN ........................................................................................ 21 Kết luận.......................................................................................... 21 Hạn chế và hướng phát triển .......................................................... 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 23 1
MỞ ĐẦU Tổng quan Những nghiên cứu trong công nghệ sinh học thường đòi hỏi một số lượng khá lớn những trang thiết bị và phòng thí nghiệm, cụ thể là những phân tích DNA, những nghiên cứu về các loại thuốc, những trang thiết bị thu thập thông tin về người bệnh như film chụp X-quang, cắt lớp…Để đáp ứng được nhu cầu trong vấn đề trên, một kỹ thuật hàng đầu trong lĩnh vực này được nghiên cứu chế tạo đó là các chíp sinh học (Biochip). Biochip được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, phổ biến nhất là trong nghiên cứu về gene, trong nông nghiệp, kiểm nghiệm thực phẩm; dùng để nghiên cứu về độc chất, protein, hóa sinh; phát hiện các loại vi trùng gây bệnh, xuất hiện trong thức ăn, nước uống và trong cơ thể con người; hay phát hiện nhanh các tác nhân trong chiến tranh hóa, sinh học. Hình 1: Một số mẫu chíp sinh học (nguồn: Internet) Microfluidic (kênh dẫn vi cơ lỏng) là một lĩnh vực mới thú vị của khoa học và kỹ thuật cho phép phân tích kiểm soát trên quy mô rất nhỏ và thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, hiệu quả hơn hệ thống thông thường khác. Chúng có khả năng đáp ứng nhu cầu của các phản ứng 2
tốc độ nhanh bằng cách giảm kích thước các kênh dòng chảy và các không gian phản ứng, qua đó giảm không gian khuếch tán. Công nghệ vi cơ lỏng ứng dụng trong rất nhiều ngành: Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo và Công nghệ sinh học. Công nghệ này đang từng bước trở thành công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng, (còn được biết đến với cái tên “phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip” lab- on-chip). Các cảm biến trên cơ sở hệ vi cơ lỏng có khả năng phát hiện vi rút cúm A, tế bào ung thư,… Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nuôi cấy tế bào, lọc tách các thành phần sinh học, hóa học… Mục tiêu của đề tài Đề tài này thực hiện nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một cấu trúc hệ thống cảm biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn hướng tới các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học…. Cấu trúc đề xuất hoạt động dựa trên nguyên lý điện dung vi sai với khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường đặc thù. Thiết kế các mạch tích hợp điều khiển, xử lý điện tử đánh giá khả năng hoạt động và kết quả phát hiện vật thể trong kênh dẫn. 3
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Một số ứng dụng của Công nghệ Nano Sinh học Công nghệ sinh học nghiên cứu vào sự phát triển và tồn tại của các dạng tế bào và mô đa chức năng ở thực vật, động vật, cũng như sự ảnh hưởng từ một tế bào sinh vật đến hoạt động của cả hệ thống sinh học. Hình 2: Phạm vi ứng dụng của công nghệ nano sinh học [4] Phạm vi ứng dụng của công nghệ sinh học nano rất rộng, từ lĩnh vực y học, dược phẩm, sinh học, tới các ngành công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp. Trong lĩnh vực sinh học và y tế, công nghệ sinh học nano được ứng dụng để nghiên cứu bộ gene học (genomics), tin sinh học (bioinformatics), xác định trình tự gene, tìm kiếm và sàng lọc dược phẩm, tế bào… Đặc biệt, các hệ thống dẫn chuyển và hướng đích dược phẩm trên cơ sở công nghệ nano ngày càng được quan tâm nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, bởi vì trên thực tế hầu hết dược phẩm không chỉ có các tác dụng dược lý hữu ích mà còn có những tác dụng phụ. Các hệ thống này bao gồm những hạt nano (nanoparticles) 4
có chức năng điều khiển dược phẩm tác động trực tiếp và tế bào đích và không gây ảnh hưởng đến các tế bào xung quanh. Trong lĩnh vực dược phẩm, công nghệ nano sinh học cùng với ngành hóa học đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ của mảng tìm kiếm dược phẩm. Những triển vọng mới của công nghệ dược phẩm đã mở ra cùng với sự ra đời và phát triển của công nghệ DNA chip hay DNA microarray. Trong các ngành công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp, công nghệ nano sinh học được ứng dụng để bảo quản thực phẩm, chế tạo các màng nhựa tổng hợp nano có thể phân hủy sinh học, trong các kỹ thuật siêu lọc.v.v… 1.2. Vi cảm biến kiểu tụ điện Cảm biến điện dung bình thường mang lại một lựa chọn đặc biệt hấp dẫn bởi vì phương pháp phát hiện không xâm nhập, nhạy cảm cao và phù hợp cho việc dẫn điện hoặc cách điện chất lỏng. Phần lớn các máy dò này đòi hỏi phải có một máy phân tích trở kháng bên ngoài, làm cho nó khó khăn để kết hợp trực tiếp vào một thiết bị microfluidic nhỏ. Cảm biến điện dung điển hình hoạt động dựa trên sự thay đổi của các thông số cấu trúc trong tụ điện theo thông số cần cảm biến dẫn đến thay đổi điện dung của nó. Có nhiều cấu trúc của cảm biến điện dung được thiết kế và chế tạo, trong đó cấu trúc đơn giản và phổ biến nhất là cấu trúc hai điện cực song song. Tùy thuộc vào thông số thay đổi của tụ điện mà các cảm biến điện dung có thể chia ra thành 3 loại chính: 5
- Cảm biến điện dung loại ε (ε-type): cảm biến điện dung với giá trị A và d không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất của chất điện môi, thường sử dụng cho cảm biến đo dịch chuyển, phân tích... - Cảm biến điện dung loại A (A-type): cảm biến điện dung với chất điện môi và khoảng cách giữa các điện cực (ε và d) không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi diện tích hiệu dụng giữa 2 bản tụ. Cảm biến loại này thường dùng cho các ứng dụng đo dịch chuyển... - Cảm biến điện dung loại D (D-type): cảm biến điện dung với giá trị của A và ε không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi khoảng cách giữa các điện cực. Loại này thường được sử dụng cho các cảm biến đo khoảng cách, phát hiện dịch chuyển, phát hiện vật thể... A, d và ε đại diện cho tiết diện của bản cực, khoảng cách giữa 2 bản cực và lớp chất điện môi bản điện cực được đặt trong đó. Cảm biến điện dung coplanar đã được đề xuất trong những năm gần đây. Với nhu cầu về các thiết bị lab-on-a-chip và nhu cầu thu nhỏ của cảm biến trên cấu trúc phẳng, các cảm biến điện dung coplanar với các điện cực interdigital được đề xuất là một trong những cấu hình điện cực định kỳ được sử dụng nhiều nhất. Với cấu trúc các điện cực cảm biến nằm trong cùng một mặt phẳng, mẫu vật có thể được dễ dàng cảm nhận hoặc kiểm tra từ một mặt của cảm biến, thay vì trong không gian giữa các điện cực, phần lớn mở rộng các lĩnh vực ứng dụng của cảm biến điện dung. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật sản xuất tiên tiến, điện cực coplanar có thể được chế tạo rất chặt chẽ, và 6
một giá trị điện dung tương đối cao có thể được thu được một cách dễ dàng và ổn định so với các phương pháp thông thường. [6]–[10] Bằng cách tạo ra một cấu trúc tụ điện phẳng hình vòng cung gồm 3 điện cực tạo thành căp tụ vi sai với lớp điện môi bao gồm: chất lỏng môi trường và tế bào đích. Một bản cực được cấy các chế phẩm sinh học có đặc tính nhạy cảm với tế bào cần phát hiện và giữ tế bào lại. Khi số lượng tế bào nhận biết được giữ lại, sẽ làm thay đổi giá điện dung giữa hai bản điện cực, từ đó sẽ thu được kết quả phát hiện có sự hiện diện của tế bào bệnh hay không và ước lượng số lượng là bao nhiêu thông qua sự thay đổi của giá trị điện dung so với điện dung cặp điện cực so sánh. Cấu trúc cảm biến có chức năng di chuyển tập trung làm giàu các thế bào thông qua một trường điện từ không đồng nhất có khả năng điều chỉnh được bởi một tín hiệu điện AC có tần số xác định trong khoảng 10kKHz đến 100MHz bởi các phương pháp thao tác tế bào bởi điện di điện môi. 7
Chương 2. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRONG KÊNH DẪN 2.1. Cấu trúc cảm biến. Khoá luận đề xuất cấu tạo cảm biến bao gồm 3 tấm điện cực được đặt tại trung tâm của tấm đế vật liệu tạo thành 2 cấu trúc tụ điện phẳng coplanar C1 và C2, trong đó tụ điện C1 là tụ điện so sánh và tụ điện C2 có một bản cực được phủ một lớp vật liệu nhạy cảm với tế bào bệnh làm tụ điện phát hiện. Các tấm vật liệu khác được bố trí quanh các cảm biến và được đặt vào một tín hiệu điện áp AC có tần số nhất định với mục đích kiểm soát được hướng di chuyển của tế bào trong vùng không gian của cảm biến. Cấu trúc cảm biến được kết nối với bảng mạch tích hợp PCB có chức năng phát tín hiệu hiệu AC điều khiển tế bào và một bảng mạch PCB khác có mục đích chuyển đổi giá trị điện dung sang điện áp lối ra. Khi có sự xuất hiện của vật thể đích cần phát hiện, giá trị điện dung của cấu trúc tụ C2 sẽ tăng lên, bằng việc so sánh biên độ sai lệch của tụ điện C1 và tụ điện C2, ta có thể nhận biết sự tồn tại của vật thể trong mẫu xét nghiệm cũng như số lượng của vật thể trong mẫu đó. Hình 3: Cấu trúc cảm biến tụ điện phẳng 8
2.2. Mô phỏng phần cứng. Hoạt động cảm biến tụ phẳng được lựa chọn sử dụng phương pháp mô phỏng số với công cụ Comsol Multiphysics để mô phỏng và trực quan hoá trường điện từ của cấu trúc cảm biến sử dụng tụ điện phẳng coplanar. Chương trình mô phỏng thực hiện quá trình tính toán giá trị điện dung của cấu trúc vi tụ điện dựa trên sự phụ thuộc của giá trị điện dung vào 2 yếu tố đó là bề rộng của bản điện cực và số lượng vật thể được phát hiện. 2.2.1. Kết quả giá trị điện dung phụ thuộc theo bề rộng bản điện cực Hình 4 mô tả kết quả đồ hoạ của phần mềm mô phỏng biểu thị điện trường của bản điện cực có kích thước 35 µm và mảng tế bào a=5, có tổng số lượng tế bào là 25, ta nhận thấy màu sắc tại khu vực cảm biến có sự thay đổi so với so với khu vực khác. Hình 4: Kết quả mô phỏng theo bề rộng bản điện cực Trích xuất bảng dữ liệu xây dựng đồ thị phụ thuộc của giá trị điện dung theo theo sự thay đổi của bề rộng bản điện cực d trong dải 9
giá trị từ 20µm đến 35µm, với bước thay đổi 0,2 µm. Ta thu được đồ thị như hình 5: Hình 5: Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của điện dung theo bề rộng bản điện cực 2.2.2. Kết quả giá trị điện dung phụ thuộc vào số lượng tế bào Hình 6 hiển thị kết quả mô phỏng điện trường của cấu trúc cảm biến theo sự thay đổi của số lượng tế bào tại giá trị mảng tế bào số lượng lớn nhất a=10, tương đương một mảng tế bào có độ lớn 10×10 phần tử với bề rộng bản điện cực là 35µm. Kết quả đưa ra cho ta thấy sự biến đổi của trường điện cũng như sự thay đổi màu sắc trên bản điện cực tạo tụ điện, chứng tỏ sự thay đổi của giá trị điện dung so với các khu vực khác. Để nhận biết rõ hơn, từ cơ sở dữ liệu, ta tạo đồ thị mối quan hệ phụ thuộc của giá trị điện dung theo số lượng tế bào như hình 7, với trục hoành là giá trị độ lớn mảng tế bào từ 1 đến 10, bước thay đổi là 1. 10
Hình 6: Đồ hoạ mô phỏng kết quả điện dung theo số lượng tế bào Hình 7: Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị điện dung theo số lượng tế bào 2.2.3. Kết quả mô phỏng chênh lệch điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch trên bản điện cực so sánh và điện cực cảm ứng Trong một số trường hợp, các tế bào không chỉ tập trung tại bản cực cảm ứng mà còn phân bố một phần tại điện cực cảm ứng. 11
Trong trường hợp này, mô phỏng cấu trúc đưa cho ra kết quả trực quan về thực tế thử nghiệm. Hình 8: Đồ hoạ mô phỏng kết quả chênh lệch điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch Hình 9: Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị chênh lệnh điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch 12
Mô phỏng được thực hiện với ma trận tế bào trên bản điện cực so sánh có kích thước 2×2 và ma trận tế bào trên bản điện cực cảm ứng có kích thước từ 2×2 đến 10×10. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng với sự chênh lệch về số lượng tế bào trên bản điện cực cảm ứng và bản điện cực so sánh tăng dần theo số lượng tế bào chênh lệch trên 2 cấu trúc tụ điện. 2.3. Thiết kế mạch điều khiển tập trung tế bào. Một mạch tích hợp có chức năng phát tín hiệu AC có tần số xác định có thể điều chỉnh được được thiết kế chế tạo với mục đích kết nối với cấu trúc cảm biến, di chuyển tập trung làm giàu các tế bào tại vùng cảm biến. Mạch sử dụng một IC chuyên dụng phát tần AD9850 được điều khiển bởi vi điều khiển. Tín hiệu tần số tạo ra được khuếch đại biên độ lên giá trị điện áp đỉnh đỉnh mong muốn từ 1V đến 30V để thu được tín hiệu điều khiển phù hợp. Hình 10 thể hiện cấu trúc thiết kế nguyên lý của mạch tích hợp điều khiển điện di điện môi. 13
Tín hiệu ra Hình 10: Sơ đồ khối mạch nguyên lý thiết bị phát tín hiệu Hình 11: Dạng tín hiệu điều khiển sau xử lý đưa vào cảm biến 14
Hình 12: Sơ đồ mạch nguyên lý 15
Hình 13: Mạch thành phẩm phát tín hiệu AC 16
Chương 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM Một nguyên mẫu cấu trúc cảm biến được chế tạo thử nghiệm để sử dụng đánh giá các kết quả mô phòng. Dòng chất lỏng chứa các mẫu tế bào thử nghiệm Sar-180 được đưa vào trong kênh dẫn của cấu trúc cảm biến và tiến hành tạo tín hiệu điều khiển. Máy ảnh có nhiệm vụ liên tục thu thập dữ liệu tiến trình hoạt động của các tế bào bên trong kênh dẫn và lưu trữ trong máy tính. Để tập trung Sar-180 sinh học vào khu vực cảm biến, sự phân bố các tế bào có thể được kiểm soát bằng cách áp dụng tín hiệu khởi động đến cặp điện cực cụ thể. Bằng cách đó, các tế bào sống có thể được kích hoạt để di chuyển giữa các điện cực. Hệ thống thí nghiệm hoạt động điều khiển tế bào trong kênh dẫn như hình 14 gồm: - Nguyên mẫu cấu trúc cảm biến chế tạo thử nghiệm. - Kính hiển vi quan sát vật thể trong kênh dẫn. - Mạch điều khiển và phát tín hiệu điều khiển. - Máy ảnh tốc độ cao. - Máy tính lưu trữ dữ liệu trong thời gian thử nghiệm 17
Hình 14: Mô hình thử nghiệm cảm biến Hình 15: Kênh dẫn vi lỏng với cảm biến và các bản nối điện cực Hình 16 cho thấy các kết quả thí nghiệm tập trung các tế bào Sar-180 từ toàn bộ mẫu đến trung tâm của buồng. Các tế bào ban đầu phân bố ngẫu nhiên bên trong buồng. 18
Hình 16: Kết quả thí nghiệm lực DEP lên tế bào Các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của lực dielectrophoresis lên các tế bào sinh học để thao tác các tế bào sống đến trung tâm của kênh lỏng. (a, b, c) Các tế bào được điều khiển thúc đẩy tiến về phía tâm của kênh dẫn. (d) Hầu hết các tế bào đều tập trung ở tâm của cấu trúc cảm biến. 50 45 40 Điện áp lối ra (mV) 35 30 25 20 15 10 5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Số lượng tế bào chênh lệch Hình 17: Kết quả đo thể hiện điện áp lối ra thay đổi theo số lượng tế bào đích xuất hiện trong vùng cảm biến. 19