NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM HỆ VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN TỪ TRỞ TRONG ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH HẠT NANO TỪ TRONG DUNG DỊCH

SHAPE \ MERGEFORMAT Lời cảm ơn Bài báo cáo này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Hải Bình và TS Bùi Đình Tú Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN TIẾN KHÁNH

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM HỆ VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN TỪ TRỞ TRONG ỨNG DỤNG XÁC

ĐỊNH HẠT NANO TỪ TRONG DUNG DỊCH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Vật lý kỹ thuật

Hà Nội - 2022

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN TIẾN KHÁNH

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM HỆ VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN TỪ TRỞ TRONG ỨNG DỤNG XÁC

ĐỊNH HẠT NANO TỪ TRONG DUNG DỊCH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Vật lý kỹ thuật

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Hải Bình

TS Bùi Đình Tú

Hà Nội - 2022

Lời cảm ơn

Bài báo cáo này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trực tiếp của

TS Nguyễn Hải Bình và TS Bùi Đình Tú Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc,

em xin chân thành cảm ơn các thầy về những sự chỉ dẫn chu đáo, tận tình Thời gian

em được nghiên cứu cùng các thầy không nhiều nhưng đã giúp em có thêm đượcnhững kiến thức bổ ích, các tư duy và tiến hành công việc một cách có hệ thống, cóhiệu quả và thực tế mà các thầy đã mang lại cho em

Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghệ - Đại họcQuốc gia Hà Nội, các giảng viên của Khoa Vật lý Kỹ thuật & Công nghệ Nano cũngnhư các Khoa khác trong trường đã tạo điều kiện và cung cấp cho em những kiến thức

cơ bản, nền tảng khoa học trong suốt bốn năm học qua

Em cũng gửi lời cảm ơn đến thầy Mạnh các cán bộ ở Viện Ứng dụng Công Nghệ

- Bộ Khoa học và Công Nghệ; phòng thí nghiệm Công nghệ vi điện tử, những ngườiluôn giúp đỡ nhiệt tình, góp ý và ủng hộ em hết mình trong quá trình nghiên cứu

Em cũng gửi lời cảm ơn đến thầy Nhất giảng viên tại trường Đại học Khoa học

và Công nghệ Hà Nội đã hỗ trợ em trong quá trình làm khoá luận

Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người luôn là chỗ dựatinh thần vững chắc nhất của con, luôn cổ vũ và động viên con Xin gửi tới nhữngngười thân yêu và bạn bè những tình cảm thân thương nhất!

Xin chân thành cảm ơn mọi người!

Mục Lục

Lời cảm ơn 0

Tóm tắt nội dung 0

Lời cam đoan 0

Mở đầu 1

Chương 1 2

1.1 Tổng quan về hệ thống vi lưu 2

1.2 Tổng quan về cảm biến từ (GMR) 4

1.2.1 Giới thiệu 4

1.3 Tổng quan hạt nano từ 5

1.3.1 Hạt nano từ Fe3O4 5

1.3.2 Dung dịch nano kim cương 6

Chương 2 7

2.1 Cơ học chất lỏng 7

2.1.1 Một số tính chất của chất lỏng 7

2.1.2 Động lực học chất lỏng thực 8

2.1.3 Hệ số Reynolds 9

Chương 3 11

3.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL 11

3.2 Mô phỏng kênh dẫn vi lưu, sử dụng chương trình COMSOL 11

3.2.1 Những thông số và nguyên lý đo áp suất chất lưu 11

3.2.2 Lưu lượng 13

3.3 Hệ đo 16

3.3.1 Các thành phần của hệ đo 16

3.4 Các bước thực hiện thí nghiệm 21

Chương 4 22

4.1 Kết quả đo tín hiệu của dung dịch Fe3O4 22

4.2 Kết quả đo của hạt nano kim cương 24

4.3 Thảo luận 24

Kết luận 25

Tài liệu tham khảo 26

Mục Lục Hình

Hình 1 : Hệ vi lưu 2

Hình 2: Nguyên lý cảm biến 5

Hình 3: Bảng điều khiển của Comsol 12

Hình 4: Cuộn helmholtz 18

Hình 5: Bộ cấp nguồn xoay chiều 18

Hình 6: Bộ xử lý tín hiệu 19

Hình 7: bộ cấp nguồn 1 chiều 19

Hình 8: Bơm 20

Hình 9: Máy tạo sin 20

Hình 10: Máy hiện sóng 21

2

Tóm tắt nội dung

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của Công nghệ nano, những ứng dụng siêuviệt mà hạt nano đem lại Đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực y – sinh học, chúng có thểứng dụng trong cả điều trị và chẩn đoán – phát hiện bệnh, được sử dụng làm chất vậnchuyển thuốc điều trị hướng đích vào tế bào

Nội dung nghiên cứu của khoá luận là bước đầu tiếp cận trong việc xác địnhnồng độ hạt nano trong dung dịch Để thực hiện nghiên cứu này, tôi đã tìm hiểu thuthập thông tin về hệ vi lưu, cảm biến từ trở Sử dụng phần mềm COMSOL để môphỏng kênh dẫn vi lưu, mô phỏng quá trình dòng chảy trong hệ thống vi lưu Dựa trênthông tin mô phỏng có được, tiến hành thí nghiệm đo tín hiệu hạt nano tại phòng thínghiệm công nghệ vi điện tử tại Viện ứng dụng Công nghệ Qua đó thấy được mối liên

hệ giữa tín hiệu điện hạt nano và nồng độ của nó từ đó có thể xác định nồng độ hạtthông qua tín hiệu bất kì và ngược lại

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan bài khóa luận của tôi không sao chép các tài liệu hay công trìnhcủa người nào khác Tất cả những lý thuyết và tài liệu đều được trích dẫn rõ ràng ởtrang tài liệu tham khảo của khóa luận này

Mở đầu

Công nghệ vi lưu được xem như một ngành tổng hợp của nhiều ngành bởi nó đòihỏi sự kết hợp của Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo và Công nghệ sinhhọc Công nghệ này đang từng bước trở thành một công nghệ mũi nhọn cho phép chếtạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng, (còn được biết đến với cáitên “Phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một chip” – lab-on-a-chip) Chất lỏngtrong các hệ thống vi lưu sẽ thể hiện những hiệu ứng nổi trội không có hoặc ít xuấthiện trong các hệ thống với thể tích chất lỏng lớn Một trong những hiệu ứng thú vị rấtđược quan tâm là hiệu ứng chảy tầng trong các kênh dẫn vi lưu…

và mạnh hơn hệ thống thông thường khác.

Công nghệ vi lưu ra đời và phát triển vào nửa đầu của thập niên 80, ban đầungười ta chủ yếu nghiên cứu lí thuyết này để chế tạo những đầu phun mực cho máy inphun, DNA chips, công nghệ lab-on-a-chip, công nghệ vi nhiệt…

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

Hình : Hệ vi lưu

Công nghệ vi lưu đòi hỏi sự kết hợp của Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vichế tạo và Công nghệ sinh học Công nghệ này đang từng bước trở thành một côngnghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chấtlỏng

Những nghiên cứu trong công nghệ sinh học thường đòi hỏi một số lượng khálớn những trang thiết bị và phòng thí nghiệm, cụ thể là những phân tích DNA, nhữngnghiên cứu về các loại thuốc, những trang thiết bị thu thập thông tin về người bệnhnhư film chụp X-quang, cắt lớp… Hầu hết những quá trình nêu trên đều đòi hỏi phải

2

khống chế và điều khiển được dòng chảy của chất lỏng Nhu cầu sử dụng thườngxuyên và liên tục đòi hỏi những thiết bị này cần phải nhỏ gọn, tiện dụng và có thểmang ra khỏi các phòng thí nghiệm 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 chấtlỏng trong những kênh dẫn rất nhỏ, lĩnh vực này được gọi tên là vi lưu Lĩnh vực nàyđòi 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 phương pháp tích hợp những chứcnăng phức tạp của chất lỏng vào trong một thiết bị, và nghiên cứu về cách thức, đặcđiểm của chất lỏng khi nó chảy trong những kênh dẫn siêu nhỏ (vi kênh) Sự phát triểncủa công nghệ vi lưu đang góp phần tạo ra những phương pháp thí nghiệm mới trongngành sinh học cơ bản, ngành khoa học vật liệu và hóa lí.[1]

Không giống với những nghiên cứu trong ngành vi điện tử nhằm giảm kích thước

và tăng mật độ tích hợp của các linh kiện điện tử, công nghệ vi lưu tập trung nghiêncứu chế tạo ra những hệ thống kênh phức tạp nhằm điều khiển rất chính xác dòng chảycủa chất lỏng, hơn là việc giảm nhỏ kích thước kênh dẫn Những hệ thống vi lỏng lớnđều 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 đếntính năng của linh kiện nhưng trong công nghệ vi lưu dòng chảy trong thể tích nhỏkhác khá nhiều so với dòng chảy trong thể tích lớn hơn, điều này có thể quan sát khá

rõ trong thực tế cuộc sống Cụ thể hơn nữa khi các thiết bị vi lỏng điều khiển các dòngchảy trong những thể tích chỉ cỡ microlit hoặc nhỏ hơn đến cỡ picolit thì sự khác biệttrên lại trở nên cực kì rõ ràng Những thiết bị phần cứng của các thiết bị vi lỏng đòi hỏiphương pháp thiết kế và chế tạo rất khác so với những thiết bị siêu nhỏ khác Khi kíchthước của một thiết bị hay một hệ thống vi lỏng được làm nhỏ hơn thì cách thức hoạtđộng của chất lỏng đột ngột thay đổi Những hiệu ứng không đáng kể trong quy môlớn cũng trở nên vượt trội hơn, rõ rệt hơn trong quy mô rất nhỏ Cụ thể hơn đó là hiệntượng mao dẫn sẽ xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống có thiết diện nhỏ hơn1mm, nhưng hiện tượng này lại không xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống

có thiết diện rất lớn

Thách thức lớn nhất của công nghệ vi lưu là điều khiển được hành vi của chấtlỏng và nghiên cứu ra những phương pháp để thực hiện sự điều khiển này một cách dễdàng, đơn giản

Các hệ thống vi lưu gồm rất nhiều loại khác nhau tương ứng với nhiều ứng dụngkhác nhau như: những ứng dụng trong ngành công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệulỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, phân tích di truyền, bào chế thuốc…Chúng ta có thể thấy một sự tương đồng giữa ngành công nghệ vi điện tử và côngnghệ vi lưu đó là cố gắng tích hợp nhiều thiết bị, nhiều chức năng chỉ trên một conchip Trong tương lai chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng khả năng các thiết bị nghiêncứu phân tích có thể được tích hợp trên một thiết bị cầm tay Cũng không có gì phảingạc nhiên khi trong tương lai ngành công nghệ vi lưu sẽ tạo ra những bước tiến nhảyvọt cho các ngành khoa học khác, đặc biệt là các lĩnh vực y sinh.

1.2 Tổng quan về cảm biến từ (GMR)

1.2.1 Giới thiệu

Cảm biến từ điện trở khổng lồ (GMR) được chế tạo dựa trên hiệu ứng từ điện trởkhổng lồ( là sự thay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trườngngoài)

Trong lĩnh vực đo lường từ trường, cảm biến GMR được sử dụng rộng rãi chocảm biến vị trí và góc, cảm biến dòng điện và cảm biến sinh học Một số bộ dò tíchhợp có chứa phân tử gì mà với băng thông rộng đã được phát triển cho bộ truyền động

cơ, module điện tử công suất công suất và module điều chỉnh Trong lĩnh vực sinh học,cảm biến GMR được ứng dụng trong sản xuất cây trồng để nhận biết điều kiện sinhtrưởng bón phân và tưới tiêu phải cảm biến cũng hữu ích trong việc bảo vệ thực vật,thu hoạch và điều khiển đỗ xe Các cảm biến được sử dụng trong các xét nghiệmprôtêin và DNA để thực hiện chuẩn đoán phân tử các bạn

1.2.2.1 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của cảm biến GMR I là dòng điện chạy qua dây, có chiều

từ trái sang phải, B là từ trường do dòng điện y sinh ra, có chiều quay quanh dây dẫn

R là khoảng cách từ dây dẫn đến cảm biến và  là góc giữa hướng từ trường và trục độnhạy của chip GMR.[2]

4

Hình : Nguyên lý cảm biến

Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại tạo ra từ trường xung quanh dây dẫn Mối quan

hệ giữa dòng điện và từ trường được mô tả bằng định luật Biot-savar Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng ghi âm à được trình bày như trong hình trên Dòng điện chạy qua dây kim loại có thể được đo từ đầu ra của cảm biến dòng GMR, khi dòng cảm biếndòng Yamaha được đặt gần dây Đầu ra của cảm biến dòng riêng mà có thể được mô tảchung bằng công thức:

V  F G M R ( I , f , T , V S ,  , r ,  , B D ) (2.1)

Trong đó V là điện áp đầu ra của cảm biến GMR, I và f lần lượt là cường độ và tần số của dòng điện qua dây dẫn, T là nhiệt độ môi trường,

Vs là điện áp của nguồn cảm biến, µ là tương đối độ thấm xung quanh cảm biến, r

là khoảng cách từ dây đến cảm biến,  là góc giữa từ trường và trục nhạy của

lĩnh vực Ở các vật liệu và linh kiện nanô xuất hiện nhiều hiện tượng, tính chất vật lý

và hoá học mới mẻ không có trong các loại vật liệu khối Hạt nano oxit siêu thuận từ

Fe3O4 có nhiều ứng dụng quan trọng trong y sinh học như làm tác nhân tăng độ tương phản trong ảnh cộng hường từ hạt nhân, phân tách và chọn lọc tế bào, hiệu ứng đốt nhiệt và phân phát thuốc, vv

1.3.2 Dung dịch nano kim cương

Các hạt nanodiamond gần đây đã nổi lên như một nền tảng quan trọng cho nhiều

sự phát triển trong khoa học nano và công nghệ nano do tính chất cơ học vượt trội trên mỗi công thức, khả năng tương thích sinh học và các đặc tính quang học độc đáo, một

sự kết hợp của các đặc tính không thường gặp trong thế giới nano Và các đặc tính hóa học một phần đến từ các liên kết cộng hóa trị bền chặt trong kim cương và từ kim cương có mật độ nguyên tử cao nhất trong số các loại tinh thể hiện có Độ siêu cứng vàkhả năng kháng hóa chất đặc biệt của chúng thúc đẩy việc ứng dụng NDs trong các lớpphủ kim loại và polyme chống mài mòn mới và làm chất phụ gia trong chất bôi trơn thể hiện sự giảm ma sát và mài mòn đáng kể Chỉ số khúc xạ cao và tính tương thích sinh học của NDs khiến chúng trở nên hấp dẫn đối với Sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc sức khỏe như kem chống nắng Đặc biệt ấn tượng là các ứng dụng ND trong lĩnh vực y sinh Các đặc tính phát quang độc đáo của các khuyết tật tinh thể trong mạng kim cương, được gọi là các trung tâm màu, chẳng hạn như phức hợp vị trí nitơ

và silicon trống, đã khuyến khích các ứng dụng của ND như nhãn sinh học huỳnh quang hoặc dấu ấn sinh học trong cộng đồng khoa học đời sống

6

có thể coi những đặc trưng cơ bản của chất lỏng như vận tốc, mật độ, áp suất… là hàm

số của tọa độ điểm (phần tử) và thời gian, những hàm số đó được coi là liên tục và khảvi

2.1.1.3 Tính nén được của chất lỏng

Chất lỏng khác chất khí ở chỗ, khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng so vớichất khí rất nhỏ, nên sinh ra lực dính phân tử rất lớn Lực dính phân tử này có tác dụnglàm cho chất lỏng giữ được thể tích hầu như rất ít thay đổi, mặc dầu bị thay đổi về ápsuất, nhiệt độ… tức là chất lỏng khó bị nén, trong khi đó chất khí dễ dàng co lại khi bịnén Vì thế thường coi chất lỏng có tính không chịu nén, còn chất khí là chất lỏng chịunén được

2.1.1.4 Sức căng mặt ngoài

Tính chất này thể hiện khả năng chịu được ứng suất kéo không lớn lắm tác dụnglên mặt tự do phân chia chất lỏng với chất khí hoặc trên mặt tiếp xúc giữa chất lỏng vàchất rắn Do đó, một thể tích nhỏ của chất lỏng đặt trong trường trọng lực sẽ có dạngtừng hạt, điều mà chất khí không có được Một cái kẹp giấy có thể nổi trên bề mặtnước dù rằng khối lượng riêng của nó lớn hơn vài lần khối lượng riêng của nước Ví

dụ trên là minh họa cho một hiện tượng đó là sức căng mặt ngoài của các chất lỏng Bềmặt ngoài của các chất lỏng biểu hiện như là một cái màng cao su bị căng ra.

2.1.1.5 Tính nhớt

Tính làm nảy sinh ứng suất giữa các lớp chất lỏng chuyển động gọi là tính nhớt

Nó biểu thị sức dính ướt phân tử của chất lỏng

Năm 1686, I.Newton đã nêu lên giả thuyết về quy luật sức ma sát xuất hiện khicác lớp chất lỏng chuyển động: “Sức ma sát giữa các lớp chất lỏng chuyển động tỉ lệvới diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, không phụ thuộc vào áp lực, phụ thuộc vàogradient vận tốc theo chiều thẳng góc với phương chuyển động và phụ thuộc vào loạichất lỏng”

2.1.2 Động lực học chất lỏng thực

Phương trình Navier-Stokes, được đặt tên theo Claude-Louis Navier và George

Gabriel Stokes, miêu tả dòng chảy của các chất lỏng và khí (gọi chung là chất lưu).Những phương trình này thiết lập trên cơ sở biến thiên động lượng trong những thểtích vô cùng nhỏ của chất lưu đơn thuần chỉ là tổng của các lực nhớt tiêu tán (tương tựnhư ma sát), biến đổi áp suất, trọng lực, và các lực khác tác động lên chất lưu - mộtứng dụng của định luật 2 của Newton

Phương trình Navier-Stokes được xây dựng từ sự bảo toàn của khối lượng, độnglượng, và năng lượng được viết cho một thể tích đang xem xét bất kì Dạng tổng quátnhất của hệ phương trình Navier-Stokes là:

(2.2)Đây chỉ là định luật bảo toàn động lượng trong một chất lưu, chỉ là áp dụng địnhluật 2 của Newton cho một môi trường liên tục (continuum) Phương trình này thường

được viết dưới dạng đạo hàm vật chất (substantive derivative hoặc material

derivative), làm rõ đây chỉ là một áp dụng của định luật 2 Newton:

(2.3)

Vế phải của phương trình này là tổng của các lực tác động lên vật thể làgradient áp suất xuất hiện trong bất kì chất lưu nào đại diện cho các lực biếndạng trong chất lỏng, thông thường là do các hiệu ứng của tính nhớt đại diện cho cáclực "khác", như là trọng lực

8

Độ căng của sự biến dạng thường chứa nhiều ẩn số, vì vậy dạng tổng quát

đó không thể áp dụng trực tiếp được cho bất kì bài toán nào Vì vậy, các giả thiết vềcác hành vi biến dạng của một chất lỏng được đưa ra (dựa trên các quan sát trong tựnhiên) và giản hóa đại lượng này về các biến quen thuộc khác, ví dụ như vận tốc Ví

dụ, đại lượng này thường rút về khi chất lỏng là không nén được và có tínhNewton

Phương trình Navier-Stokes chỉ là một phát biểu của định luật bảo toàn độnglượng Để miêu tả toàn diện dòng chảy, cần phải có nhiều thông tin hơn (phụ thuộcvào các giả thiết đưa ra), bao gồm bảo toàn khối lượng, bảo toàn năng lượng, hay làmột phương trình trạng thái

2.1.3 Hệ số Reynolds

Trong cơ học chất lưu, số Reynolds là một giá trị không thứ nguyên biểu thị độ

lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây bởi quán tính và tính nhớt đến sự cản trở đối với dòng chảy

 Số Reynolds kí hiệu là Re và được tính theo công thức:

 v là tốc độ dòng chảy (đơn vị thường dùng: m/s)

 R là bán kính thủy lực (thường đo bằng m)

 v là độ nhớt động học của chất lỏng (m/s²)

Dựa vào số Reynolds có thể phân loại dòng chảy theo độ rối của nó:

 Dòng chảy có Re < 2320 là dòng chảy tầng

 Dòng chảy có Re > 2320 là dòng chảy rối

 Đối với ống dẫn mặt cắt hình tròn có đường kính d , vẫn là vận tốc v và độ nhớt v công thức được viết thành:

