Nghiên cứu chế tạo hệ vi lưu tích hợp điện hóa ứng dụng trong tổng hợp vật liệu cấu trúc nano và phân tích y-sinh

Trên thế giới, công nghệ vi lưu (Microfluidic) là một lĩnh vực nghiên cứu phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây và đang từng bước trở thành một công nghệ mũi nhọn với các ứng dụng đa dạng trong công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, tách ADN, phân tích hóa sinh v.v... Đối với các quá trình tổng hợp hóa học, so với các phương pháp truyền thống, thiết bị vi lưu cho phép rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng, tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và đồng đều với các tính chất đặc biệt. Ngoài ra hệ thiết bị này có độ an toàn cao khi vận hành, tiêu tốn rất ít hóa chất, có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, khả năng cải thiện đáng kể các quá trình truyền nhiệt, truyền khối cũng như hiệu suất của phản ứng. Mặt khác, do thiết bị vi lưu có thể kết nối dễ dàng vào các thiết bị quang phổ, sắc ký và các thiết bị phân tích khác nên dựa trên công nghệ này, có thể phát triển các giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh từ việc kiểm soát phản ứng cho đến phân tích sản phẩm đầu ra. Trong các ứng dụng y sinh, thiết bị vi lưu có thể được phát triển thành các công cụ chẩn đoán và phân tích tại chỗ (point-of-care) nhỏ gọn, dễ sử dụng, có độ nhạy, độ đặc hiệu cao và đặc biệt có giá thành thấp phù hợp với điều kiện kinh tế của những nước đang phát triển, góp phần rút ngắn thời gian chẩn đoán, phòng ngừa và điều trị các bệnh dịch nguy hiểm.

Tại Việt Nam nghiên cứu phát triển các hệ vi lưu và phục vụ cho các ứng dụng hóa học- hóa sinh vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ. Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề này, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN do PGS.TS. Trần Đại Lâm làm trưởng nhóm đã đăng ký thực hiện đề tài VAST 03.01/15-16: “Nghiên cứu chế tạo hệ vi lưu tích hợp điện hóa ứng dụng trong tổng hợp vật liệu cấu trúc nano và phân tích y sinh”. Đề tài thuộc hướng Khoa học vật liệu, một trong bảy hướng KHCN ưu tiên cấp Viện Hàn lâm KHCNVN và được thực hiện trong 2 năm (2015-1016).  

Mục tiêu của đề tài là : i) ứng dụng công nghệ vi cơ điện tử trong điều kiện Việt Nam để thiết kế chế tạo hệ vi lưu trên cơ sở vật liệu polyme (PDMS/PMMA); ii) nghiên cứu tích hợp vi điện cực điện hóa và phương pháp làm giàu bằng từ trường vào hệ vi lưu nhằm chế tạo thiết bị phân tích y sinh và tổng hợp vật liệu cấu trúc nano; iii) thử nghiệm hệ vi lưu tích hợp điện hóa trong tổng hợp vật liệu cấu trúc nano (Fe3O4, nano kim loại…) và trong phân tích các chỉ dấu sinh học trong nhận biết một số bệnh ung thư (ung thư vú, ung thư cổ tử cung…) bằng hệ vi lưu tích hợp vi điện cực điện hóa, làm giàu bằng từ trường.

Sau 2 năm thực hiện, đề tài đã đạt được các kết quả chính như:

• Thiết kế và chế tạo thành công hệ vi lưu trên vật liệu PDMS có độ sâu nhỏ hơn 50 μm, đồng thời cũng chế tạo thành công vi điện cực cảm biến trên đế Si/SiO2 bằng kỹ thuật vi cơ điện tử, trong điều kiện Việt Nam;
• Hệ vi lưu trên vật liệu PMMA cũng được chế tạo thành công bằng kỹ thuật khắc laser CO2 với độ sâu nhỏ hơn 500μm;
• Xây dựng thành công quy trình tích hợp cảm biến điện hóa và từ trường trên cả hai hệ vi kênh PDMS và PMMA;
• Vật liệu nano sắt từ được chế tạo thành công trong hệ vi lưu PDMS ở điều kiện nhiệt độ phòng với thời gian phản ứng nhanh và tiêu tốn ít hóa chất, dung môi. Các hạt nano sắt từ thu được có kích thước nhỏ (10 nm) và đồng đều. Trong khi đó, hệ vi lưu PMMA được sử dụng để tổng hợp thành công vật liệu khung cơ kim (Metal–Organic Framework, MOF) ở điều kiện nhiệt độ thấp, thời gian phản ứng nhanh so với các phương pháp truyền thống như thủy nhiệt, dung nhiệt. MOF thu được có độ tinh thể cao và có kích thước nhỏ;
• Trên cơ sở tích hợp hệ vi lưu tích hợp cảm biến điện hóa và từ trường, đã phát hiện thành công chỉ dấu ung thư (CarcinoEmbryonic Antigen, CEA), ngưỡng giới hạn phát hiện là 150 pg/ml.

 
Hệ vi lưu PMMA tích hợp cảm biến điện hóa và từ trường (Tran Dai Lam et al, Development of a PMMA Electrochemical Microfluidic Device for Carcinoembryonic Antigen Detection, Journal of Electronic Materials (Springer), 2016, 45, 5, pp 2455–2462)

Kết quả chính của đề tài được công bố trong 02 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI (SCIE, Q2 theo SCImago); 01 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục Scopus; đề tài góp phần tham gia đào tạo 02 tiến sỹ và 02 thạc sỹ, 02 cử nhân chuyên ngành về Khoa học vật liệu.

Bên cạnh đó, các cán bộ của đề tài đã tham gia tổ chức thành công hội thảo quốc tế khu vực  Châu Á -Thái Bình Dương (tổ chức 2 năm một lần) lần thứ 4 về Công nghệ Vi lưu Hóa học và Sinh học (Asia-Pacific Chemical and Biological Microfluidics, APCBM),  tại TP. Đà Nẵng, từ ngày 02-04 tháng 11 năm 2015 với sự tham dự của gần 200 nhà khoa học, trong đó có 70 nhà khoa học nước ngoài đến từ các nước Hoa kỳ, Nga, Nhật bản, Anh, Pháp, Đức, Hàn quốc, Đài Loan, Singapore... APCBM lần thứ 5 sẽ được tổ chức tại Hobart, Australia, từ 26-29 tháng 6 năm 2017.

Hội thảo quốc tế khu vực Châu Á -Thái Bình Dương lần thứ 4 về Công nghệ Vi lưu Hóa học và Sinh học (APCBM’2015), tại Khách sạn Pullman, TP. Đà Nẵng, 02-04/11/2015

Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã góp phần xây dựng và phát triển nhóm nghiên cứu-phát triển các thiết bị vi lưu, phù hợp điều kiện Việt Nam, ứng dụng trong tổng hợp vật liệu và phân tích y sinh -môi trường; đồng thời góp phần đào tạo đội ngũ cán bộ KHCN có trình độ cao trong lĩnh vực Khoa học vật liệu.

Tại phiên họp nghiệm thu ngày 10/5/2017, đề tài đã được Hội đồng Khoa học và Công nghệ cấp Viện Hàn lâm (GS.VS. Nguyễn Văn Hiệu làm Chủ tịch Hội đồng) nghiệm thu và đánh giá xếp loại Xuất sắc.

Nguồn tin: PGS.TS. Trần Đại Lâm, chủ nhiệm đề tài VAST 03.01/15-16
Xử lý tin: Minh Tâm