Nghiên cứu chế tạo kênh dẫn vi lỏng bằng công nghệ in phun trên đế giấy ứng dụng trong cảm biến sinh học - NCS. Lê Nguyên Ngân

Tên đề tài luận án: Nghiên cứu chế tạo kênh dẫn vi lỏng bằng công nghệ in phun trên đế giấy ứng dụng trong cảm biến sinh học
Ngành: Khoa học Vật liệu
Mã số ngành: 62 44 01 22
Họ tên nghiên cứu sinh: Lê Nguyên Ngân
Khóa đào tạo: 2016
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Đặng Mậu Chiến
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG.HCM 
1. Tóm tắt luận án 
Tên đề tài và cũng là mục tiêu của Luận án là “Nghiên cứu chế tạo kênh dẫn vi lỏng bằng công nghệ in phun trên đế giấy ứng dụng trong cảm biến sinh học”. Bước đầu tiên trong việc nghiên cứu hoàn thành mục tiêu này, đó là tạo được các kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy. Vì giấy có tính dẫn nước rất tốt, nên mục tiêu kể trên trở thành tạo được các đường kỵ nước trên đế giấy. Trong Luận án này, một hướng tiếp cận mới cho quy trình in phun được đề xuất để tạo đường kỵ nước, đó là in phun dung môi hòa tan trên đế giấy, biến khu vực này từ hút nước trở thành rãnh chắn kỵ nước. Tổng hợp mực in hữu cơ có tính năng hòa tan đế giấy Nitrocellulose (NC) là bước đầu tiên trong quy trình chế tạo. Khi mực in được in phun xuống đế giấy NC và phản ứng với đế giấy NC thì đường in sẽ bị ăn mòn lõm xuống, trở thành rãnh chắn kỵ nước. Mực in hữu cơ dùng trong Luận án được tổng hợp từ các chất Glycol ethers, mà cụ thể là Diethylene glycol monobutyl ether (DEGBE) và Nonaethylene glycolmonododecyl ether (C12E9). Mực in hữu cơ sau khi tổng hợp có độ nhớt nằm trong khoảng 10-13 cP cho kết quả in phun khá tốt, giọt mực rơi đồng đều và không có hiện tượng giọt vệ tinh.
Bước tiếp theo trong quy trình là tối ưu các thông số in phun để tạo thành rãnh chắn kỵ nước vừa có tính năng chống thấm nước vừa có độ rộng nhỏ nhất có thể. Thu nhỏ kích thước chi tiết là xu hướng nghiên cứu chung của các nhà khoa học hiện nay, vì việc này giúp thu nhỏ kích thước cảm biến sinh học. Hai kỹ thuật in phun là in phun áp điện và in phun điện thủy động đã được nghiên cứu, khảo sát trong Luận án nhằm tìm ra phương pháp chế tạo thích hợp nhất. Sau đó, các thông số công nghệ được sử dụng để chế tạo kênh dẫn vi lỏng - phần quan trọng của cảm biến sinh học trên đế giấy.
Cảm biến sinh học được thiết kế để có thể dùng cho quy trình xét nghiệm miễn dịch hấp thụ liên kết với enzyme (ELISA) nhằm định lượng nồng độ human chorionic gonadotropin (hCG). Kết quả thu được là các tín hiệu màu ứng với các mức nồng độ hCG khác nhau. Dựa trên việc đo đạc cường độ tín hiệu màu, đường chuẩn cường độ màu ứng với nồng độ hCG được thiết lập. Nhìn chung, nội dung nghiên cứu trong Luận án là sự kết hợp giữa công nghệ in phun thuộc lĩnh vực khoa học - công nghệ vật liệu và quy trình xét nghiệm ELISA thuộc lĩnh vực sinh học. Luận án đã bắt đầu từ những thí nghiệm tổng hợp mực in hữu cơ, tiếp đến là những thí nghiệm tối ưu thông số quy trình in phun và cuối cùng là những thí nghiệm nhằm đánh giá tính năng của cảm biến sinh học được chế tạo.
2. Những kết quả mới của luận án 
Kết quả mới đầu tiên của Luận án đó là tổng hợp thành công mực in hữu cơ từ các chất glycol ethers như Diethylene glycol monobutyl ether (DEGBE) và Nonaethylene glycol monododecyl ether (C12E9) có tính năng hòa tan đế giấy Nitrocellulose. Quy trình in phun sử dụng loại mực hữu cơ này giúp tạo ra các đường kỵ nước trên đế giấy đơn giản và dễ dàng hơn so với các phương pháp trước đây. Các đường kỵ nước thu được có độ rộng nhỏ nhất vào khoảng 300 µm nếu sử dụng thiết bị in phun áp điện và khoảng 200 µm nếu sử dụng thiết bị in phun điện thủy động.
Hai thiết kế cảm biến sinh học trên đế giấy dùng cho quy trình sandwich ELISA được đề xuất trong Luận án. Cả hai thiết kế đều sử dụng các kênh dẫn nhỏ rộng 2 mm (bao gồm rãnh chắn kỵ nước 200 µm). Thiết kế 1 sử dụng bốn kênh dẫn nhỏ (2 mm), có độ rộng tổng thể là 8 mm; thiết kế 2 được thiết kế theo nguyên tắc thu nhỏ linh kiện chỉ sử dụng hai kênh dẫn nhỏ và có kích thước độ rộng là 4 mm. Cả hai thiết kế đều dựa trên quy trình xét nghiệm sandwich ELISA truyền thống nhưng thời gian xét nghiệm giảm xuống chỉ còn dưới 10 phút. Có được ưu điểm này là nhờ kỹ thuật thiết kế đã chuyển hầu hết các bước của quy trình sandwich ELISA truyền thống vào bước chuẩn bị cảm biến.
Kết quả mới cuối cùng của Luận án là kết quả thử nghiệm với các nguyên mẫu được chế tạo, cho thấy các cảm biến sinh học vi lỏng trên đế giấy có thể dùng cho quy trình sandwich ELISA, từ đó định lượng được mục tiêu sinh học hCG. Thiết kế 1 thích hợp cho việc định lượng hCG ở nồng độ thấp (5-100 ng/mL); thiết kế 2 thích hợp cho việc định lượng hCG trong dải đo lớn (5-10000 ng/mL).
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
Kỹ thuật sandwich ELISA là một quy trình xét nghiệm hóa sinh được sử dụng nhằm phát hiện nhiều mục tiêu sinh học khác nhau. Kết quả thử nghiệm trong Luận án cho thấy cảm biến sinh học trên đế giấy có thể dùng cho quy trình sandwich ELISA và có tính năng định lượng khá tốt. Điều này cho thấy rằng cảm biến sinh học trên đế giấy này có thể được mở rộng để ứng dụng cho các mục tiêu sinh học khác, chẩn đoán các loại bệnh khác. Hay nói cách khác, sản phẩm Luận án có thể được sử dụng cho các xét nghiệm hóa sinh lâm sàng, nhằm giúp phát hiện sớm các bất thường trong cơ thể. 
Trong tương lai, người dùng tại nhà hoặc các cơ sở y tế vùng nông thôn, vùng sâu - vùng xa có thể sử dụng loại cảm biến này để kiểm tra, đánh giá điều kiện sức khỏe. Người dùng chỉ cần sử dụng camera trên điện thoại ghi nhận hình ảnh tín hiệu màu thu được và gửi đến máy chủ (Server). Tại máy chủ, các thuật toán sẽ giúp xác định cường độ tín hiệu màu và trả lại kết quả cho người dùng. Ứng dụng này sẽ giúp người dùng phát hiện sớm các triệu chứng bất thường của cơ thể, nhanh chóng điều trị sớm đồng thời giúp giảm tải cho các bệnh viện, cơ sở y tế tuyến trung ương.