CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.2. Kỹ thuật điều khiển các đối tượng kích thước micro và nano
1.2.3. Điều khiển các vi đối tượng bằng lực từ: dẫn đường
32
Issadore và các cộng sự đã sử dụng các hạt NdFeB kích thước micro (125 µm và 8 µm) để tạo ra cấu trúc từ gồm các đám hạt NdFeB có phương từ độ ngược chiều xen kẽ nhau [50]. Sơ đồ của hệ thống vi kênh và các vi nam châm được trình bày trong hình 1.14b. Các hạt NdFeB trong nền polydimethylsiloxane (PDMS) chưa xử lý được từ hóa trong từ trường ngoài (> 1 T) và sau đó tự sắp xếp thành các đám hạt (vi nam châm) trong nền PDMS khi được ủ nhiệt chậm. Cuối cùng, vi kênh, lớp bảo vệ, lối vào, lối ra được xây dựng trên các vi nam châm. Hệ thống này đã được nhóm nghiên cứu sử dụng để lọc các hạt từ Dynabead 1 µm ra khỏi các hạt phi từ polystyrene 2 µm và lọc các tế bào WBC được đánh dấu từ ra khỏi các tế bào ung thư vú SK-Br-3 với độ chính xác cao, ~ 90%.
Ngoài ra, điều khiển và bắt giữ các hạt từ cũng có thể thực hiện được bằng các nam châm sắt từ đơn lẻ mà không cần tích hợp với các kênh dẫn hay các nam châm khác. Một vài nhóm nghiên cứu đã sử dụng các đường dẫn từ micro để điều khiển các hạt từ đơn lẻ. Các đường dẫn từ này là các vách Bloch của vật liệu hoặc các vùng có biến thiên địa phương của từ trường, có thể điều khiển theo thời gian và có thể dịch chuyển khiến cho các hạt từ dịch chuyển theo [46, 58, 97, 117, 121].
33
có chứa các đối tượng cần nghiên cứu vào, trong khi dung dịch đệm được bơm vào ở các lối vào khác. Vị trí của nam châm khối ở phía đối diện với lối vào chính. Các lối ra được sử dụng để thu thập dung dịch chứa các đối tượng khác nhau đã được phân tách. Hệ thống này đã được sử dụng để sắp xếp các hạt từ tính dựa vào độ cảm từ của chúng [76], sắp xếp các tế bào đã được gắn hạt từ dựa vào mômen từ và kích thước hạt [77], sắp xếp các hạt từ dựa vào sự thay đổi theo nhiệt độ [111] và phân loại các tế bào khác nhau.
Hệ thống này cũng được sử dụng để sắp xếp các hạt nghịch từ theo các kích thước khác nhau bằng lực đẩy từ tính [110]. Trong trường hợp này, nam châm vĩnh cửu và lối vào chính được bố trí ở cùng một bên để tác dụng một lực đẩy lớn lên các hạt nghịch từ, các hạt lớn hơn được đẩy ra khoảng cách xa hơn (hình 1.15b).
Hình 1. 15. Hệ thống vi kênh tích hợp với nam châm vĩnh cửu khối để phân tách các hạt từ (a) [76, 77], hệ thống tương tự được sử dụng để thực hiện lực đẩy lên các hạt nghịch từ (b) [110]. Fm, Ff, Fd lần lượt là lực từ, lực kéo của dòng chất lỏng và lực tác động tổng hợp lên hạt từ.
Han và các cộng sự đã sử dụng một miếng sắt từ Ni hình sợi dây (dài 30 mm, rộng 120 µm và dày 50 µm) được từ hóa bởi từ trường ngoài 0,2 T để tách các tế bào RBC và WBC [40, 41]. Trong khi các tế bào RBC bị hút vào vùng có gradient từ trường cao nhất thì các tế bào WBC lại được đẩy khỏi vùng này (hình 1.16). Trong hình 1.16, dung dịch chứa cả hai loại tế bào được bơm vào kênh dẫn và thoát ra khỏi kênh theo lối ra tương ứng. Miếng sắt từ có thể được đặt ở cạnh hoặc tâm của kênh dẫn sẽ tập trung các tế bào hồng cầu và dẫn chúng tới một lối ra của vi kênh, trong khi các tế bào bạch cầu được đẩy tới các lối ra khác.
34
Hình 1. 16. Phân tách các tế bào RBC và WBC dưới tác dụng của từ trường do miếng sắt từ Ni gây ra [40, 41].
Hình 1. 17. Các thanh nam châm từ mềm làm lệch quỹ đạo chuyển động của các tế bào (a) [48] và các đối tượng được đánh dấu từ (b) [1].
Vẫn dựa trên việc sắp xếp liên tục các đối tượng, các nghiên cứu cải tiến đã được thực hiện bằng cách sử dụng các thanh sắt từ. Một hệ thống như hình 1.17a gồm các thanh từ mềm Ni dày 2 µm, rộng 10 µm được từ hóa trong từ trường ngoài 0,1 T đã được chế tạo bởi nhóm nghiên cứu của Inglis [48]. Đối tượng được đánh dấu từ khi chảy trong kênh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực kéo của dòng chất lỏng và lực từ
35
khi đi qua thanh từ mềm. Lực tổng hợp bởi lực từ và lực kéo làm lệch đối tượng khỏi quỹ đạo ban đầu của nó, do đó, sự phân tách có thể thực hiện được.
Adams và các cộng sự đã phát triển một hệ thống dựa trên nguyên tắc tương tự, nhưng có thể sắp xếp và phân tách ba loại đối tượng khác nhau [1]. Hệ thống được miêu tả trong hình 1.17b có một đầu vào cho dung dịch của các đối tượng cần phân tách và một đầu vào cho dung dịch đệm. Các đối tượng được tập trung ở một bên của kênh. Một bộ các thanh từ mềm đầu tiên làm lệch đường đi của nhóm hạt thứ nhất (hạt 1) được gán nhãn từ tính, trong khi bộ các thanh từ mềm thứ hai làm lệch đường đi của nhóm thứ hai (hạt 2). Nhóm thứ ba (hạt 3) không được đánh dấu từ và chảy theo dòng chảy mà không bị lệch. Sự tách biệt giữa hai nhóm đối tượng được dán nhãn từ khác nhau là kết quả của sự khác biệt giữa lực kéo và lực từ tác dụng lên từng loại đối tượng.
Hình 1. 18. Hệ thống làm lệch quỹ đạo chuyển động được phát triển bởi nhóm
nghiên cứu của Fulcrand (a) [30] và nhóm nghiên cứu của Shevkoplyas (b) [103].
Một hệ thống khác được phát triển bởi Fulcrand và các cộng sự cũng cho phép điều khiển các hạt từ [30]. Nguyên tắc làm việc của hệ thống được miêu tả trong hình 1.18a. Các hạt từ chạy trong dung dịch qua một vi kênh đặt trên các cuộn dây micro với tốc độ 1 µl/phút. Mỗi cuộn dây gồm 5 vòng dây bằng đồng dày 5 µm, rộng 5 µm và cách nhau 5 µm được kích hoạt lần lượt để bắt giữ các hạt từ. Các cuộn dây được kích hoạt lần lượt bằng dòng điện 50 mA làm dịch chuyển nhóm các hạt đi xa hơn và
36
hướng chúng tới một vị trí khác trong kênh. Điều này được lặp đi lặp lại cho đến khi các hạt được dẫn tới lối ra phù hợp, được giải phóng khỏi các cuộn dây và thu lại.
Các hệ thống khác dựa trên sự lệch quỹ đạo chuyển động của các hạt để phân tách các hạt đã được báo cáo bởi nhóm nghiên cứu của Derec [28] và Shevkoplyas [103]. Độ lệch quỹ đạo chuyển động của các hạt, trong trường hợp này, thu được bằng một từ trường được tạo ra bởi một dây dẫn trong vùng lân cận của vi kênh (hình 1.18b). Các hạt từ bên trong vi kênh phân tán ngẫu nhiên ở lối vào vì không có từ trường tác động lên chúng. Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn ở phía trên, các hạt bị hút vào và tập trung ở một bên của kênh. Phương pháp này có thể được sử dụng để sắp xếp các hạt một cách liên tục vì chúng được dẫn đường liên tục dọc theo chiều dài của sợi dây.
Kết luận chương 1:
Như vậy, chúng ta thấy rằng có nhiều phương pháp, kỹ thuật khác nhau để có thể điều khiển các đối tượng kích thước micro-nano. Trong các kỹ thuật sử dụng lực cơ học, lực điện và lực quang, các đối tượng cần điều khiển phải tiếp xúc trực tiếp với thiết bị hoặc có va chạm cơ học, chịu tác động của nhiệt độ của môi trường, do đó dễ bị thay đổi tính chất, biến dạng, vỡ, hỏng trong quá trình điều khiển. Các kỹ thuật điều khiển sử dụng lực từ của các nam châm hạn chế được các nhược điểm ở trên. Tuy nhiên để có thể điều khiển các đối tượng, các thiết bị thường khá phức tạp, đòi hỏi phải kết hợp với lực cơ học của dòng chất lỏng và trong nhiều trường hợp các đối tượng cần điều khiển phải được đánh dấu từ. Bên cạnh đó, việc điều khiển các đối tượng micro-nano bằng các nguồn từ trường phụ thuộc mạnh vào từ trường và sự biến thiên từ trường trong không gian địa phương xung quanh các đối tượng này. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo các nguồn từ trường mạnh và biến thiên lớn để có thể điều khiển trực tiếp các vi đối tượng là thực sự cần thiết. Ngoài ra, các nguồn từ trường cần có kích thước nhỏ để dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác, cũng như có thể chế tạo bằng các phương pháp đơn giản, ổn định và lặp lại [8, 15, 16, 19, 23, 84].
37
Bảng 1. 3. So sánh từ trường Bz và biến thiên từ trường Bz của một số vi cấu trúc từ tại độ cao cách bề mặt cấu trúc từ 10 µm.
STT Loại nam châm, vật liệu Bz (T) Bz (T/m)
Tác giả, năm công bố
1 Nam châm từ mềm, Ni 4,2×10-1 3,5×103 K. Ino, 2008 [49]
2 Nam châm từ mềm, FeCo 3,2×10-1 7,0×103 D. Le Roy, 2016 [96]
3 Nam châm điện, Cu 1,9×10-1 5,5×102 K. Smistrup, 2005 [104]
4 Nam châm điện, Cu 1,0×10-3 1,4×103 F. Gertz, 2016 [32]
5 Nam châm điện, Al 2,0×10-2 2,4×101 E. Pittella, 2016 [82]
6 Nam châm từ cứng,
NdFeB 6,0×10-1 4,0×103 D. Issadore,
2011 [50]
7 Nam châm từ cứng, CoPt 5,0×10-3 9,0×104 M. F. Robin, 2008 [93]
8 Nam châm từ cứng,
NdFeB 2,8×10-2 2,5×104 J. Pivetal, 2015
[84]
9 Nam châm từ cứng,
NdFeB 3,0×10-2 6,0×103 D. Le Roy, 2016
[96]
Bảng 1.3 liệt kê một số vi cấu trúc từ điển hình đã được nghiên cứu bởi các nhóm trên thế giới trong thời gian gần đây, trong đó có so sánh từ trường, sự biến thiên từ trường của các cấu trúc từ. Trong các vi cấu trúc từ này, các vi nam châm được sắp xếp với nhau theo những trật tự nhất định để có thể tạo ra được không gian
38
có từ trường biến thiên lớn. Đây là một xu thế phát triển hiện nay trong lĩnh vực này nhằm ứng dụng trong vi hệ thống và y sinh học.
Luận án này tập trung nghiên cứu chế tạo một số vi cấu trúc từ kích thước micro, có từ trường và biến thiên từ trường lớn để có thể tác động lực phù hợp lên một số vi đối tượng. Các màng từ kích thước micro và nano trên cơ sở các vật liệu chứa Fe như NiFe, NdFeB, FePt và Fe3O4 sẽ được chế tạo và khảo sát một số tính chất đặc trưng.
Sau đó, sử dụng công nghệ vi hình, các màng có tính chất từ phù hợp sẽ được chế tạo thành các vi cấu trúc từ kích thước micro để thử nghiệm bắt giữ một số hạt từ và tế bào sinh học. Một số vi cấu trúc từ được chế tạo bằng phương pháp khá đơn giản, tiết kiệm so với các phương pháp chế tạo khác đã được công bố. Một số vi cấu trúc từ có từ trường và biến thiên từ trường lớn, có thể dùng để bắt giữ và sắp xếp trực tiếp các tế bào RBC và tế bào ung thư vú T-47D, có khả năng ứng dụng trong y sinh.
39