Kênh dẫn vi lưu (Microfluidic)

Microfluidic

Microfluidic (kênh dẫn vi lưu) 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 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 lưu 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). Hệ thống vi lưu bao gồm hệ phức hợp như bơm, khoang chứa, khoang trộn, các van đóng mở có khả năng được điều khiển … Hệ thống này có thể được sử dụng cho một loạt ứng dụng như dẫn thuốc, in ấn và đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh học phân tử như phân tích enzyme, phân tích DNA và proteomic

Một thiết bị vi lưu có thể có một hoặc nhiều kênh với ít nhất một kích thước nhỏ hơn 1 mm. Chất lỏng thường được sử dụng trong các thiết bị vi lưu bao gồm toàn bộ mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein, DNA, hóa chất dùng cho các phản ứng sinh hóa…

Việc điều khiển dòng chảy của chất lỏng ở những kích thước siêu nhỏ phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như: Sức căng bề mặt của chất lỏng, sự mất mát năng lượng, sức cản chất lỏng…

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… Hầu hết những quá trình nêu trên đều đòi hỏi phải khống chế và điều khiển được dòng chảy của chất lỏng. Nhu cầu sử dụng thường xuyên và liên tục đòi hỏi những thiết bị này phải nhỏ gọn, tiện dụng và có thế mang ra khỏi các phòng thí nghiệm. Chính vì lẽ đó mà xu hướng “càng nhỏ càng tốt” đang dần biến đổi “thế giới lỏng” theo một cuộc cách mạng tương tự như cuộc cách mạng về công nghiệp điện tử khi transistor ra đời. Trên thực tế có rất nhiều những nghiên cứu, những ứng dụng trong công nghệ sinh học cần phải thao tác với dòng chảy của chất lỏng trong những kênh dẫn rất nhỏ, lĩnh vực này được gọi tên là vi lưu. Lĩnh vực này đòi hỏi sự nghiên cứu tổng hợp ba vấn đề: nghiên cứu phương pháp mới nhằm chế tạo ra những hệ thống điều khiển chất lỏng, nghiên cứu những phương pháp tích hợp những chức năng phức tạp của chất lỏng vào trong một thiết bị, và nghiên cứu về cách thức, đặc điểm của chất lỏng khi nó chảy trong những kênh dẫn siêu nhỏ. Sự phát triển của công nghệ vi lưu đang góp phần tạo ra những phương pháp thí nghiệm mới trong ngành sinh học cơ bản, ngành khoa học vật liệu và hóa lý.

Các hệ thống vi lưu gồm rất nhiều loại khác nhau tương ứng với nhiều ứng dụng khác nhau như: những ứng dụng trong ngành công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, tách chiết DNA ra khỏi tế bào, phân tích di truyền, phân tích PCR (Polymerase Chain Reaction – Phản ứng chuỗi trùng hợp), bào chế thuốc.v.v…

Mọi hệ thống vi lưu đều được cấu thành từ những thành phần cơ bản như: máy bơm, van, bộ trộn, bộ lọc, bộ chia… Trong ngành vi điện tử, kích thước của linh kiện không làm ảnh hưởng đến tính năng của linh kiện, nhưng trong công nghệ vi lưu dòng chảy trong thể tích nhỏ khác khá nhiều so với dòng chảy trong thể tích lớn hơn, điều này có thể quan sát thấy trong thực tế đời sống. Cụ thể hơn nữa khi các thiết bị vi lỏng điều khiển các dòng chảy trong những thể tích chỉ cỡ microlit hoặc nhỏ hơn đến cỡ picolit thì sự khác biệt trên lại trở nên cực kỳ rõ ràng. Những thiết bị phần cứng của các thiết bị vi lưu đòi hỏi phương pháp thiết kế và chế tạo rất khác so với những thiết bị siêu nhỏ khác. Khi kích thước của một thiết bị hay một hệ thống vi lưu được làm nhỏ hơn thì cách thức hoạt động của chất lỏng đột ngột thay đổi. Những hiệu ứng không đáng kể trong quy mô lớn cũng trở nên vượt trội hơn, rõ rệt hơn trong quy mô rất nhỏ. Đó chính là hiện tượng mao dẫn sẽ xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống có tiết diệt nhỏ hơn 1mm, nhưng hiện tượng này lại không xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống có thiết diện rất lớn.

Trong thời kỳ khủng hoảng về nhiên liệu của thế giới thì việc  nghiên cứu và phát triển ngành công nghệ vi lưu đang trở nên có ý nghĩa hơn. Các hệ thống vi lưu thường có kích thước rất nhỏ, việc chế tạo ra chúng sử dụng ít nhiên liệu hơn, rẻ hơn và rất dễ dàng chế tạo hàng loạt. Thêm nữa là các kênh dẫn trong thiết bị vi lưu chỉ có thể tích vài nanolit, các mẫu thử cũng trở nên rất nhỏ, lượng thuốc thử sử dụng cũng rất ít, do đó mà việc phân tích các kết quả thí nghiệm cũng trở nên dễ dàng hơn, tiết kiệm nguyên liệu hơn.

Đến đây chúng ta có thể thấy được sự tương đồng giữa ngành công nghệ vi điện tử và công nghệ vi lưu, đó là cố gắng tích hợp nhiều thiết bị, nhiều chức năng chỉ trên một con chip. Trong tương lai chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng khả năng các thiết bị nghiên cứu phân tích có thể được tích hợp trên một thiết bị cầm tay. Cũng không có gì phải ngạc nhiên khi trong tương lai ngành công nghệ vi lưu sẽ tạo ra những bước tiến nhảy vọt cho các ngành khoa học khác, đặc biệt là lĩnh vực y sinh.

 

microfluidics: có thể hiểu là các ống nhỏ chiều rộng mức micromet (Microfludics), hiện nay đang là những ứng dụng khá nhiều trong y tế, sinh học là các ống dẫn truyền chất lỏng, dịch..
surfactant solution: hình như gọi là chất hoạt hoá bề mặt, là các dung môi hữu cơ dùng để bao phủ các hạt nano, tách chúng ko cho co cụm thành từng đám, tạo ra một chất lỏng mang từ tính. Lúc này, các hạt sẽ ở trạng thái kiểu huyền phù. Ví dụ đơn giản là dùng xà phòng, hay acid oleic..
disperse: phân tán.. để tạo ra các chất lỏng từ, người ta hoà các hạt vào các surfactant solution, dùng các phương pháp khuấy để phân tán các hạt vào dung dịch..