CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.2. Bộ trộn vi lỏng
1.2.2. Bộ trộn vi lỏng chủ động
Sự đối lưu hỗn loạn trong chất lỏng cũng có thể đạt được bằng các lực cảm ứng bên ngoài trong hệ thống. Những lực này dẫn đến tác động cơ học, ví dụ do siêu âm gây ra [82], nhiệt độ [83], lực Lorentz, xung vận tốc [84], hoặc bằng cách áp dụng điện trường xoay chiều không đồng nhất [85] để đạt được khả năng trộn nhanh và hiệu quả. Các ví dụ khác bao gồm điện động lực học [86], áp dụng các nguyên lý điện lực động học để vận chuyển chất lỏng mẫu, đồng thời tạo ra nhiễu loạn trong trường dòng chảy và điện động học [87], điện di [88] hoặc điện động [89].
Các nghiên cứu cho thấy, các bộ trộn chủ động đáp ứng tốt với các yêu cầu tiêu chuẩn về kích thước nhỏ và tính hiệu quả. Trong các ứng dụng mà chỉ số Reynolds rất nhỏ (Re ≤ 1), như trong một số chất lỏng trong hệ vi lỏng điều khiển bằng mao dẫn hoặc chất lỏng ứ đọng trong các buồng chứa thì các bộ trộn loại này phát huy tốt hiệu quả. Một số phương pháp trộn tích cực được trình bày trong Hình 1.18 và được đánh giá trong Bảng 1.1 [90] theo mức độ dễ dàng và chi phí chế tạo, ứng dụng của chúng cho các chất lỏng có chỉ số Re
39
rất thấp, và/hoặc chất lỏng ứ đọng, khả năng tương thích với các thành phần sinh học và sự phức tạp của thiết bị, khả năng hiển thị.
Hình 1.18. Thiết kế của một số bộ trộn chủ động [90]
Bộ trộn điện động chủ động bao gồm các điện cực ở cả hai bên của một kênh vi lỏng. Hiệu suất trộn có thể đạt được bằng cách tăng số lượng điện cực dọc theo kênh hoặc tăng điện áp đặt vào [91] (Hình 1.18a). Hầu hết các bộ trộn loại này chỉ hoạt động ở tốc độ dòng chảy thấp, điều này cho phép hoạt động của nó trở nên lý tưởng đối với chất lỏng có chỉ số Reynolds rất thấp. Tuy nhiên, chúng cũng có những hạn chế khác như số lượng điện cực tăng lên làm tăng chi phí chế tạo và làm nóng chất lỏng trong kênh trộn, điều này không phù hợp với các ứng dụng liên quan đến sinh học.
40
Bảng 1.1. Đánh giá các loại bộ trộn chủ động [90]
Loại Tiêu chí
Điện động học
Áp suất khí nén
Bong bóng
Sóng siêu âm
Từ trường
Dễ chế tạo K K K K C
Giá thành thấp K K K K C
Dùng cho chất lỏng có chỉ số Re
thấp
C C C C C
Dùng cho dòng
chảy ứ đọng C C C C C
Phù hợp với ứng
dụng sinh học K C K K C
Yêu cầu chuẩn
bị mẫu C K C K K
Khả năng quan
sát C C C C K
C/K: Có/Không
Cơ chế của bộ vi trộn điều khiển bằng áp suất sử dụng vi bơm khí nén [92] (Hình 1.18b) hoặc phương tiện khác làm xáo trộn chuyển động của chất lỏng dựa trên dòng dao động do áp suất [93]. Ngược lại đối với vi trộn điện động học, nhiễu loạn chất lỏng do áp suất có thể được áp dụng để trộn trong các buồng phản ứng vi mô với các thành phần sinh học. Chúng cũng có thể được sử dụng cho trộn các hệ thống không dòng chảy.
Một cơ chế trộn chủ động khác là sử dụng bong bóng tạo bọt. Sự hình thành và phá vỡ bong bóng bên trong chất lỏng có thể dẫn đến sự trộn lẫn trong các kênh vi lỏng. Cho đến nay, giải pháp này vẫn bị giới hạn bởi chi phí thiết bị cần thiết cho sự hình thành bong bóng (ví dụ: laser công suất cao). Tuy nhiên, một mạch điện chạy bằng pin đã được phát triển [94] để tạo ra tia lửa điện giữa hai đầu điện cực và tạo ra các hiện tượng xâm thực (Hình 1.18c), do đó, dẫn đến hỗn loạn dòng chảy. Sự hình thành và xẹp bong bóng liên tục dẫn đến hiệu
41
suất trộn có thể đạt 98% tính bằng mili giây (ms) trong kênh trộn 200µm.
Phương pháp này vẫn có những nhược điểm giống như các cơ chế điện động học, vì nó yêu cầu một bước điều chỉnh trước độ dẫn điện của chất lỏng bằng dung dịch muối đệm photphat. Tuy nhiên, đây không phải là nhược điểm duy nhất, do có sự phóng điện đột ngột ở 6kV lặp lại trong 25µs làm phương pháp này không chỉ không thân thiện với tế bào sinh học, mà còn tạo ra hiệu ứng tăng nhiệt bên trong kênh vi lỏng.
Hình 1.18d thể hiện phương pháp trộn sử dụng sóng siêu âm trong đó một hoặc nhiều đầu phát sóng âm sẽ tạo sóng âm thanh để làm hỗn loạn chất lỏng trong một vi kênh hoặc buồng vi phản ứng [95]. Những sóng âm này sẽ làm các phân tử chất lỏng dao động và tạo hiệu ứng trộn. Hiệu suất trộn tăng lên khi kênh vi lỏng được đặt các vật cản cạnh sắc như trong Hình 1.18e. Về cơ bản, năng lượng âm có bản chất cơ học dưới dạng dao động và biến động áp suất. Vì vậy, người ta phải xem xét những ảnh hưởng này đối với tế bào sinh học, đặc biệt là về ảnh hưởng đến môi trường cơ học của tế bào do áp suất gây ra [96]. Ngoài ra, vấn đề tăng nhiệt do sóng âm có thể làm hỏng mẫu trong quá trình trộn. Tuy nhiên, hiệu ứng tăng nhiệt do tác động của sóng âm gây ra phụ thuộc nhiều vào tần số và loại trường âm thanh, và cả hai đều có thể được kiểm soát [97].
Một cơ chế đặc biệt dựa trên lực từ trường có thể được chuyển thành chuyển động của chất lỏng. Từ tính mang lại lợi thế là kết hợp tốt khả năng tương thích sinh học với khả năng trộn. Sơ đồ thí nghiệm đơn giản, dựa trên việc sử dụng chất lỏng từ tính, được trình bày trong Hình 1.18f [98].
Nói chung, các bộ trộn chủ động thường phức tạp để chế tạo do cấu trúc và yêu cầu đối với các bộ phận ngoại vi cần thiết để hoạt động. Tuy nhiên, việc trộn trong các thiết bị này có thể được điều chỉnh để mang lại hiệu quả trộn tối
42
ưu. Cơ chế trộn chủ động có thể cho phép giải quyết được các thách thức trộn đối với chất lỏng phi Newton [99]. Hơn nữa, việc trộn chủ động không yêu cầu dòng chất lỏng hoạt động, và do đó có thể được áp dụng cho các khoang vi lỏng có chất lỏng ứ đọng.
Cuối cùng, hầu hết các thiết bị trộn chủ động được trình bày ở trên được chế tạo từ vật liệu PDMS sử dụng kỹ thuật in soft-lithography, in 3D. Cách tiếp cận này rất phù hợp cho các mục đích nghiên cứu và phát triển, nhưng đối với ứng dụng công nghiệp, đây không phải là cách tiếp cận tốt nhất vì sản xuất tương đối đắt và chậm, ngoài việc vật liệu PDMS hấp thụ các phân tử nhỏ là một bất lợi cho các ứng dụng y sinh. Tuy nhiên, các phương thức trộn đã đề cập cũng có thể được thực hiện nhờ sử dụng các vật liệu phù hợp hơn và các phương pháp chế tạo như ép nhựa dẻo trên khuôn nhiệt [90]. Ngoài ra, một số phương pháp yêu cầu bao gồm các điện cực hoặc vật liệu áp điện sẽ có chi phí chế tạo cao hơn.