Summary
Kullanıcıların birden fazla deney gerçekleştirmesine ve dijital mikroakışkanlar üzerinde uygulamalı deneyim kazanmasına olanak tanıyan bir eğitim kiti açıklıyoruz.
Abstract
Bu makalede, dijital mikroakışkanlara dayalı bir eğitim kiti açıklanmaktadır. Luminol bazlı chemiluminescence deneyi için bir protokol belirli bir örnek olarak bildirilmektedir. Ayrıca floresan görüntüleme yeteneğine ve buharlaşmayı önlemek için ultrasonik atomizere dayanan kapalı nemlendirilmiş muhafazaya sahiptir. Kit kısa bir süre içinde ve elektronik ve lehimleme konusunda minimum eğitimle monte edilebilir. Kit, hem lisans/yüksek lisans öğrencilerinin hem de meraklılarının mikroakışkanlar konusunda sezgisel bir şekilde uygulamalı deneyim edinmelerini ve dijital mikroakışkanlara aşinalık kazanmak için eğitilmelerini sağlar.
Introduction
Mikroakışkanlar, femtolitreden mikrolitrelere kadar küçük hacimli sıvıların manipülasyonu için fizik, kimya, biyoloji ve mühendisliği tarayan son derece disiplinler arası bir alandır1. Mikroakışkanlar aynı zamanda çok geniş ve aktif bir alandır; Bir Web of Science araması yaklaşık 20.000 yayın döndürür ve yine de mikroakışkanların eğitim aracı olarak kullanımı hakkında yeterli literatür ve inceleme makalesi yoktur2. Legge ve Fintschenko3,4tarafından modası geçmiş inceleme makaleleri olsa da iki anlayışlı vardır. Legge, eğitimcileri çip3'tekilaboratuvar fikriyle tanıştırır. Fintschenko, Fen Teknolojisi Mühendisliği Matematik (STEM) eğitiminde mikroakışkanlar öğretim laboratuvarının rolüne dikkat çekti ve felsefeleri basitleştirerek "mikroakışkanları öğretin" ve "mikroakışkanları kullanın"4. Rackus, Ridel-Kruse ve Pamme tarafından 2019'da yapılan daha yeni bir inceleme, doğada disiplinler arası olmasının yanı sıra, mikroakışkanların da çok uygulamalı bir konu olduğuna işaret ediyor2. Mikroakışkanların uygulamalarıyla ilgili uygulamalı etkinlik, öğrencilere sorgulama tabanlı öğrenmeye ödünç verir ve onu bilim iletişimi ve sosyal yardım için ilgi çekici bir araç haline getirir. Mikroakışkanlar gerçekten de hem resmi hem de gayri resmi ortamlarda bilim eğitimi için çok fazla potansiyel sunar ve aynı zamanda genel halkı modern bilimlerin disiplinler arası yönü hakkında teşvik etmek ve eğitmek için ideal bir "araçtır".
Düşük maliyetli mikrokanal cihazlar, kağıt mikroakışkanlar ve dijital mikroakışkanlar gibi örnekler eğitim amaçlı ideal araçlardır. Bu platformlar arasında, dijital mikroakışkanlar ezoterik olmaya devam ediyor ve dijital mikroakışkanlara dayanan hakemli raporlar2. Burada dijital mikroakışkanları çeşitli nedenlerden dolayı bir eğitim aracı olarak kullanmayı öneriyoruz. İlk olarak, dijital mikroakışkanlar mikrokanal bazlı paradigmadan çok farklıdır, çünkü damlacıkların manipülasyonu ve damlacıkların ayrı mikrovesseller olarak kullanımına dayanır. İkincisi, damlacıklar nispeten genel elektrot dizisi platformlarında manipüle edilir, böylece dijital mikroakışkanlar mikroelektronik ile yakından birleşebilir. Kullanıcılar, artık kendin yap uygulamalarının damlacıklarla elektronik arayüz kurması için son derece erişilebilir olan genişletilmiş bir elektronik bileşen kümesinden yararlanabilir. Bu nedenle, dijital mikroakışkanların öğrencilerin bu benzersiz yönleri deneyimlemelerine ve mikrokanal bazlı düşük Reynold sayısı mikroakışkanlara bağlı kalmamak için açık fikirli olmalarına izin verebileceğini savunuyoruz1.
Kısaca, dijital mikroakışkanlar alanı büyük ölçüde ilk olarak Gabriel Lippmann5,6tarafından tanımlanan elektrowetting fenomenine dayanmaktadır. Son gelişmeler Berge tarafından 1990'ların başında başlatıldı7. Onun temel katkısı, elektroliz sorununu ortadan kaldırmak için iletken sıvıyı metalik elektrotlardan ayırmak için ince bir yalıtkan getirme fikridir. Bu fikir dielektrik (EWOD) üzerinde elektrowetting olarak adalmıştır. Daha sonra, dijital mikroakışkanlar birkaç öncü araştırmacı tarafından popülerleştirildi8,9. Şimdi, örneğin klinik tanı, kimya ve biyolojide kapsamlı bir uygulama listesi, dijital mikroakışkanlar10 , 11,12 üzerinde kanıtlanmıştır ve bu nedenle, bir eğitim ortamı için birçok örnek mevcuttur. Özellikle, düşük maliyetli, kendin yap dijital mikroakışkanlar hattı boyunca, Abdelgawad ve Wheeler daha önce dijital mikroakışkanların düşük maliyetli, hızlı prototiplemesinibildirmiştir 13,14. Fobel ve ark., ayrıca DropBot'un açık kaynaklı bir dijital mikroakışkan kontrol sistemi15. Yafia ve arkadaşları, ayrıca 3D baskılı parçalara ve daha küçük telefon16'yadayanan taşınabilir bir dijital mikroakışkan bildirdi. Alistar ve Gaudenz, alan efekti transistör dizisi ve dc aktüasyon17'ye dayanan pille çalışan OpenDrop platformunu da geliştirdiler.
Burada, kullanıcının dijital mikroakışkanlarla bir araya gelip uygulamalı deneyim elde etmesini sağlayan ticari kaynaklı baskılı devre kartına (PCB) dayalı bir dijital mikroakışkanlar eğitim kiti sunuyoruz (Şekil 1). Dijital tasarım dosyalarından PCB oluşturmak için hizmet ücreti yaygın olarak mevcuttur ve bu nedenle dijital tasarım dosyalarının paylaşılabilmesi koşuluyla eğitim için uygun bir düşük maliyetli çözüm olduğunu düşünüyoruz. Montaj sürecini basitleştirmek ve kullanıcının sezgiselliği ile bir arayüz yapmak için bileşenlerin ve sistem tasarımının titiz bir seçimi yapılır. Bu nedenle, üst plaka ihtiyacını önlemek için iki plaka konfigürasyonu yerine tek plaka konfigürasyonu kullanılır. Hem bileşenlerin hem de test kimyasallarının kolayca kullanılabilir olması gerekir. Örneğin, süpermarketten gelen gıda ambalajı kitimizin yalıtkan olarak kullanılır.
Kitimizin fizibilitesini kanıtlamak için, luminol chemiluminescence'a dayalı özel bir kimya deneyi öneriyoruz ve protokolü sağlıyoruz. Umut, chemiluminescence'ın görsel gözleminin öğrencileri büyüleyebilmesi ve heyecanlandırabilmesidir. Luminol, H 2O 2gibi bir oksitleyici madde ile karıştırıldığında mavi bir parıltı sergileyen ve tipik olarak adli tıpta kan18'itespit etmek için kullanılan bir kimyasaldır. Laboratuvar ortamımızda potasyum ferrisiyanür katalizör görevi görür. Luminol hidroksit iyonu ile reaksiyona gelir ve bir dianion oluşturur. Dianion daha sonra hidrojen peroksitten gelen oksijenle tepki vererek elektronlarla 5-aminoftalik asit oluşturur ve elektronların heyecanlı durumdan zemin durumuna gevşemesi, mavi ışık patlaması olarak görülebilen fotonlarla sonuçlanır.
Ayrıca, ışık yayan bir diyotun (LED) bir heyecan ışığı kaynağı olarak entegrasyonunu göstermek için bir akıllı telefonla floresan görüntüleme deneyi bildiriyoruz. Son olarak, damlacık buharlaşması mikroakışkanlarda bir sorundur, ancak nadiren ele alınmaktadır. (Açık bir substrat3'ten1 saat içinde 1 μL su damlacığı kaybolur.) Suyu ince buğuya dönüştürmek için yüksek frekanslı piezo dönüştürücüye dayanan bir atomizer kullanıyoruz. Bu, damlacık buharlaşmasını önlemek için nemlendirilmiş bir ortam oluşturur ve uzun süreli (~1 h) damlacık aktüasyonunu gösterir.
Şekil 1: EWOD kurulumunun şemaları. (a) EWOD elektrodunun kontrol dizisini sağlamak için bir mikrodenetleyici kullanılır. Ayrıca, nem kontrol edilir. (b) PCB düzeninin şemaları. Elektrotlar, floresan görüntüleme için LED, direnç ve alan etkisi transistörleri (FET) etiketlenmiştir. 1 cm'lik ölçek çubuğu da gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Kitin üst görünümü. Mikrodenetleyici kartı, yüksek gerilim besleme kartı, EWOD PCB, nem sensörü ve atomizer etiketlenmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1) Dijital mikroakışkan kitinin montajı
- Şekil 1b'dekişemalara göre yüzey montaj dirençlerini, transistörleri ve ışık yayan diyotları PCB kartına lehimler.
- Yüksek gerilim güç kaynağı panosunun çıkışını lehimli bileşenlerle PCB kartına bağlayın (Şekil 2 ve Tamamlayıcı Şekil 1).
- Voltajı 6 V'ten 12 V'a(Şekil 2 ve Ek Şekil 1)yükseltmek için pili voltaj yükseltici kartına bağlayın.
- Voltajı 12 V'tan ~230 V'a(Şekil 2 ve Tamamlayıcı Şekil 1)yükseltmek için yüksek voltaj besleme panosuna gerilim yükseltici kartı bağlayın.
- Nem sensörini mikrodenetleyici kartına bağlayın. Ultrasonik piezo atomizer ve atomizer sürücü tahtasını mikrodenetleyici kartına bağlayın (Şekil 2 ve Tamamlayıcı Şekil 1).
- Tüm montajı 23 cm x 20,5 cm x 6 cm boyutlarda akrilik muhafazaya yerleştirin.
- Mikrodenetleyiciyi kodla açın (Ek Kod) ve çıkış voltajının ~230 V olduğundan emin olmak için EWOD elektrodunun voltajını ölçmek için dijital multimetreyi kullanın.
2) Elektrot dizisinde izolatör hazırlanması
- Temiz nitril eldiven giyin. Elektrot bölgesine ~10 μL 5 cSt silikon yağı uygulamak için bir mikropipette kullanın ve silikon yağını elektrot bölgesine eşit olarak yaymak için bir parmak kullanın. Silikon yağının elektrot ve gıda sargısı yalıtkan arasındaki dolgu görevi görür ve herhangi bir airgap önlemek için.
- Yaklaşık 2,5 cm x 4 cm boyutlarında bir parça gıda sargısı kesin ve elektronun üzerine yerleştirin. Elektrot bölgesine ~10 μL 5 cSt silikon yağı uygulamak için mikropipette kullanın ve silikon yağını eşit şekilde yaymak için bir parmak kullanın. Silikon yağının izolatörün üstünde hidrofobik bir tabaka görevi görür.
3) Luminol bazlı chemiluminescence deneyi
- Bir çözelti elde etmek için 25 mL deiyonize suda 0,25 g luminol ve 1,6 g NaOH'u bir bardak karıştırıcı ile bir beherde karıştırın.
- Çözeltinin 20 mL'sini önceki adımdan % 3 hidrojen peroksitin 20 mL'si ile karıştırın.
- Hedef elektrot üzerindeki önceki adımdan 2-5 μL luminol çözeltisi yerleştirmek için bir mikropipette kullanın.
- Elektrot üzerine % 0,1 potasyum ferrikyanür 10 μL yerleştirmek için bir mikropipette kullanın. Bunun elektrowetting için taşınacak damlacık olduğunu unutmayın.
- 10 μL potasyum ferrikyanit damlacığı luminol ile birleştirmek için taşımak için mikrodenetleyiciyi açın.
4) Floresan görüntüleme deneyi
- ~1 cm x 1 cm boyutlarda yarı saydam bir bant parçası kesin. Yarı saydam bandı, heyecan verici ışık yayan diyot ve EWOD elektrotları arasına yerleştirin.
- Akıllı telefonun kamerasına emisyon renkli cam filtreyi bantla takın.
- Sulu etanol (%3 w/w) çözeltisinde 2,5 mg floresan izotiyosiyanat karıştırın.
- Pipet ~ 10 μL çözelti elektrotlardan birinde önceki adımdan.
- Mikrodenetleyiciyi aç.
- Damlacık aktüasyonunun videosunu kaydetmek için akıllı telefonu kullanın.
5) Ultrasonik atomizer ile uzun süreli damlacık aktüasyon deneyi
- Ultrasonik atomizer üzerine 1 mL su yerleştirin. Kodun% 90'ın üzerinde bir nem seviyesini korumak için bir eşik geri bildirim algoritması kullanmak için yazıldığını unutmayın.
- Bir mikropipette ile 10 μL damlacık yerleştirin. Mikrodenetleyiciyi açın ve kasanın kapağını hemen kapatın.
- ~1 saat bekleyin. Damlacık aktüasyonunu görsel olarak kontrol edin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Damlacık aktüasyonu bir akıllı telefonla kaydedilir. Chemiluminescence ve floresan görüntüleme için temsili sonuçlar Şekil 3 ve Şekil 4'tegörüntülenir. Chemiluminescence deneyi için, 10 μL ferrikyanür damlacık, Şekil 3'tegösterildiği gibi hedef elektrot üzerinde önceden yatırılmış 2 μL damlacık ile hareket etmek ve karıştırmak için harekete geçirildi. Ardışık hareket arasındaki süre 4 s olarak ayarlanır ve kolay gözlem için yeterince yavaştır. Luminol çözeltisinin (hidrojen peroksit ile) potasyum ferrisiyanür ile karıştırılmasından kaynaklanan mavi ışık patlamasının ortam ışığı altında bile çıplak gözle görülebileceğini unutmayın. Şekil 4'tegörüntülenen floresan görüntüleme için deneyin karanlıkta yapılması gerekir. Yarı saydam bant, heyecan ışığını damlacık üzerine eşit olarak dağıtmak için difüzör görevi görür. Floresan yayılan ışık, akıllı telefon kamerasına takılı düşük maliyetli bir emisyon filtresi ile filtrelenmiştir. Bu görüntüleme şeması, tipik bir tezgah üstü floresan mikroskopunda normal dikroik ayna tabanlı şemadan daha basittir. Uzun süreli (~1 h) bir deney için, Şekil 5a'dagösterildiği gibi başarılı damlacık aktüasyonu gözlenebilir. Şekil 5b, ultrasonik atomizerin etkisi altında temsili nem verilerini gösterir. Damlacık çapını atomizerli ve atomizersiz olarak da ölçürdük. Atomizer olmadan, damlacık çapı 4,0 mm'den 2,2 mm'ye kadar küçülür ve hacim oda sıcaklığında 10 μL'den 6 μL'ye ve ortam bağıl nem oranı ~%57'ye değişir. Atomizer ile damlacık çapı 4 mm'den 3,1 mm'ye kadar küçülür ve hacim oda sıcaklığında ve ortam bağıl nemde 10 μL'den 8 μL'ye değişir .% 90.
Şekil 3: Damlacık hareketi ve kimyasal lüminesans anlık görüntüsü. T = 12 s'de, luminol ile potasyum ferrikyanit karıştırılması gözle görülür bir mavi ışık patlamasına neden olur. 1 cm'lik ölçek çubuğu da gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Floresan görüntüleme yeteneği ile entegrasyon. (a) Kurulumun şeması. Bir LED, heyecan için ışık kaynağı görevi görür. Yarı saydam net ofis bandı hafif bir difüzör görevi görür. Emisyon filtresi doğrudan akıllı telefon kamerasına takılır. (b) Floresan izotiyosiyanat içeren damlacık floresan görüntüleme. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Ultrasonik atomizer ile nem kontrolü altında damlacık aktüasyonu. (a) 1 saat sonra damlacık hareketinin anlık görüntüsü. 1 cm'lik ölçek çubuğu da gösterilir. (b) Ultrasonik atomizer etkisi altında zaman karşı bağıl nem. Bir ok, atomizerin eşik algoritması sayesinde kapalı olduğunu gösterir. Bağıl nem eşiği% 90 olarak ayarlanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil 1: Kablo şemaları. Mikrodenetleyici ve yüksek voltajlı güç kaynağı kartı bir akü ile çalışır. Tüm çalışma mikro kontrol panosu ile düzenlenmiştir. Atomizer sürücü kartı tarafından etkinleştirilir. Bu dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Şekil 2: Yüksek gerilim anahtarlama devresi. EWOD elektrot değiştirmek için bir direnç ile yüksek voltajlı metal oksit yarı iletken alan etkisi transistörü (MOSFET) kullanılır. Bu dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Tamamlayıcı Tablo 1: Kitimizin bileşenlerinin maliyet tahmini. Transistörler, dirençler, ışık yayan diyot gibi bileşenlerin birim maliyeti, 10 ila 100 bileşenlik bir paketin toplu fiyatından tahmin edilir. Maliyet, özel akrilik muhafazayı hariç tutar. Bu tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Kod: Damlacık hareketi için çalıştırmayı ve damlacık ortamını nemlendirmek için ultrasonik atomizeri etkinleştirmek için özel komut dosyası. Bu dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada açıklanan prosedür, okuyucunun damlacık aktüasyonu için çalışan bir EWOD sistemini bir araya getirip test etmesine ve mikroakışkanlarla uygulamalı deneyim kazanmasına olanak tanır. Pahalı bileşenlerden ve kimyasal numunelerden kasıtlı olarak kaçınıyoruz. Şu anda, bir kit ~ $ 130 için inşa edilebilir en pahalı bileşen floresan görüntüleme için optik renkli cam ve özel akrilik muhafaza hariç mikrodenetleyicidir(Ek Tablo 1). Böyle bir maliyet için, floresan görüntüleme yeteneği ve atomizer bazlı aktif bir nem çevre kontrolü de dahildir. (Tipik bir floresan mikroskobun maliyeti ~$1,50019'dan fazladır ve düşük maliyetli bir dijital floresan mikroskobu bile $300'a mal olur.) Bu düşük maliyetler, kitimizi büyük ölçekli bir eğitim ortamı için pratik hale getirir. Karşılaştırma için, Dropbot şu anda ~$5,00020 ve OpenDrop platformu ~$1,0002maliyeti . Bu platformların karşılaştırılmasının bir özeti Tablo 1.
| Dropbot, OpenDrop ve Eğitim kiti arasındaki karşılaştırma | |||
| DropBot | OpenDrop | Eğitim kiti | |
| Elektrot substratı | cam substrat | Pcb | Pcb |
| Kaplama tekniği | Vakum birikimi | ince film ve yağ | Gıda sarma ve yağ |
| Aktüasyon Sinyali | ac (10kHz, tipik) | Dc | Dc |
| Sürüş Elektroniği | HV amplifikatörü ve röle dizisi | Alan efekti transistörü | Alan efekti transistörü |
| Nemlendirilmiş Çevre | Hiçbiri | Hiçbiri | Evet. Atomizer ile |
| Görüntüleme Yeteneği | Harici Mikroscpe | Harici Mikroscpe | Evet. Akıllı Telefon ile |
| Maliyet | $5,000 | $1,000 | $100 |
Tablo 1: Dropbot, OpenDrop ve Eğitim kitimiz arasındaki karşılaştırma.
Eğitim kitimizin kullanımının fizibilitesini değerlendirmek için, çeşitli geçmişe sahip 13 lisans öğrencisi talep ettik. Ana dalları fizik, biyoloji, kimya mühendisliği, tıp, malzeme bilimi, makine mühendisliği ve elektrik mühendisliğidir. Öğrencilerin elektrik mühendisliğinden aşırı derecede geldikleri durumdan bilerek kaçınmaya çalışıyoruz ve elektrik mühendisliğinde anadal yapan sadece bir öğrenci ayarlamaya çalışıyoruz. Pcb'ye lehim bileşenleri ve son test damlacık aktüasyonunda kitimiz üzerinde 2 saat içinde lehimleme yapmalarını emrettik. Elektrik mühendisliğinden biri dışında hiçbir öğrencinin lehimleme konusunda daha önce deneyimi yoktur. Sonunda, istatistikleri toplarız. Başarılı oran % 62'dir. Yüzey montaj bileşeninin lehimlemenin kitin başarılı bir şekilde montajının darboğaz işlemi olduğunu öğrendik. Genel kılavuz aşağıdaki gibidir. Fintschenko, aletlerin veya deneylerin spektrumda kendin yap sınırı ile kara kutu sınırı arasında bir yere düştüğüne işaret etti. Öğrencilerin yanında artan mühendislik deneyimi ile, örneğin, elektrik mühendisliği geçmişinden, laboratuvar oturumunun daha fazlası kendin yap lezzetini alabilir. Bununla birlikte, kimya, biyoloji ve biyokimya gibi elektronik beceriler açısından deneyimsiz öğrenciler, eğitmenler tarafından önceden monte edilen kitlerle spektrumun kara kutu ucunda bir fayda elde edebilir.
Referans olarak, kullanılabilecek sıvı damlacıkların parametre aralığını da tanımlamaya çalışıyoruz. Boyut için, maksimum ve minimum sıvı hacmini sırasıyla ~10 μL nominal sıvı hacmi ile 16 μL ve 8 μL olacak şekilde test ettik. Sıvımızı sulu çözelti ile sınırlandırdık ve polimer gıda sargısı izolatörlerinin korozyona girmemesi için organik çözücülerden kaçındık. Ayrıca iyonik konsantrasyon, PH değeri, yoğunluk ve viskozite gibi bir dizi parametreyi kapsayacak şekilde sofra şekeri ve tuz gibi yaygın olarak bulunan sıvı sistemleri seçtik. Sonuç Tablo 2'de özetlenmiştir. Bu testler arasında, gliserol su karışımını damlacıkların maksimum viskozitesini test etmek için bir araç olarak seçtik ve bu yüzey gerilimi gibi diğer fiziksel özellikleri göreceli olarak sabit tuttuk. Gliserol ve karşılık gelen viskozitenin maksimum ağırlık yüzdesini ~% 40 ve 3.5 cp21olarak belirleyeceğiz. 1 M'ye kadar maksimum çalışma iyonik konsantrasyonu sodyum klorür ile test edilir. PH değeri asetat, sitrik asit ve KOH çözeltisi ile test edilir.
| Sıvı sistemi | Anahtar Parametresi | Çalışma aralığı |
| Gliserol su karışımı | Viskozite | gliserol 40% wt veya 3.5 cps |
| Suda sakkaroz | Yoğun -luğu | %60'a kadar wt |
| Suda seyreltilmiş sitrik asit | PH değeri | PH=3 kadar düşük |
| Asetik asit | PH değeri | PH=4 kadar düşük |
| Koh | PH değeri | PH kadar yüksek= 11 |
| Sodyum Klorür | İyonik concentrtion | 10 mM ila 1 M |
Tablo 2: Kitimiz üzerinde test edilen sıvı sistem, parametreler ve çalışma aralığı.
Burada, damlacık aktüasyonu için ilgili fiziği kısaca tartışıyoruz. Elektromekanik türetme kullanılarak, frekans ve damlacık pozisyonunun bir fonksiyonu olarak itici kuvvet, sistemde depolanan enerji kapasitesine göre bu enerji teriminin farklılaşmasından elde edilebilir. Kritik bir frekans, fc, her cihaz geometrisi / sıvı kombinasyonu21için hesaplanabilir. Bu frekansın altında, tahmini kuvvet termodinamik yöntemle tahmin edilene indirger. Bu rejimde, damlacık üzerinde hareket eden kuvvet, üç fazlı temas hattının yakınında biriken ve elektrostatik olarak harekete geçen elektrota doğru çekilen yüklerden kaynaklanır. Kritik frekansın üzerinde, damlacığı aktif elektrota doğru çekmek için sıvı-dielektroforetik bir kuvvet hakimdir. Deneyimizde DC aktüasyonunu kullanıyoruz ve bu nedenle operasyon bu kritik frekansın altında ve bu nedenle üç fazlı temas hattı elektrostatik olarak aktüasyonlu elektrota doğru çekiliyor.
Sonuç olarak, genel deney okuyucuya dijital mikroakışkanlara uygulamalı bir maruziyet sağlamak için tasarlanmıştır. Daha spesifik olarak, kit öğrencilerin optik, elektronik ve akışkanları öğrenmelerini sağlar, böylece bu yön üst düzeyde elektrik mühendisliği ve makine mühendisliğindeki herhangi bir laboratuvar kursu için uygundur. Ayrıca, spesifik chemiluminescence deneyi üst düzeyde bir kimya veya kimya mühendisliği deneysel dersinde kullanılabilir. Burada açıklanan deney, gerçek hayattaki bir senaryonun basitleştirilmiş bir sürümü olsa da, diğer deneylere basit bir şekilde genişletilebilir. Örneğin, bir kağıt test kitini bir çift ve damlacık adsorbe edilecek kağıda taşıyabilirsiniz. Ayrıca, daha karmaşık dijital kontrol ve programlanabilirlik sağlamak için bir mikroişlemciyi diğer etkileşimli I/O cihazlarıyla kolayca birleştirebiliriz. Buradaki protokolün, profesyonel olmayan meraklıların alan bilgilerini daha da ilerletmek için elektronik öğrenmelerine ve uygulamalarına da fayda sağlayabileceğini inanıyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Y. T. Y., Bilim ve Teknoloji Bakanlığı'ndan MOST 107-2621-M-007-001-MY3 ve National Tsing Hua Üniversitesi'nin 109Q2702E1 hibe numarası altında finansman desteğini kabul etmek istiyor. Edanz Group'tan (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) Mark Kurban bu makalenin taslağını düzenledi.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylic enclosure | LOCAL vendor | 23cm x 20.5 cm x 6cm | |
| Ardunion Uno | Arduino | UNO | microcontroller board |
| acetic acid | Sigma Alrich | 695092-100ML | |
| Breadboard | MCIGICM | 400tie | 4 cm x 7 cm, 400 Points Solderless Breadboard, a pack of 4 |
| BSP89 H6327 Infineon MOSFET | Mouser | 726-BSP89H6327 | drain soure breakdown voltage 240V,on resistance 4.2 ohm |
| citrid acid | sigma Alrich | 251275-100G | |
| Color glass filter | Thorlabs | FGL 530 | color glass filter for fluorescent imaging |
| DHT11 temperature & humidity sensor | adafruit | ||
| Digital multimeter | Fluke | 17B | |
| Fluorescein isothiocyanate isomer I | sigma Alrich | F7250-50MG | 50 mg price, fluorescent imaging |
| Glycerol | Sigma Alrich | G9012-500ML | |
| High voltage power supply for Nixe tube | Vaorwne | NCH6100HV | High voltage power max dc 235V |
| LM2596 voltage booster circuit | boost voltage from 5V to 12 V | ||
| Luminol | Sigma Alrich | 123072-5G | 5 g for $110 |
| Pippet | Thermal Fisher | 1- 10 ul | |
| Printed circuit board | Local vender | 10 piece for $60 | |
| Plastic food wrap | Kirkland | Stretch-tite | food wrap Plastic food wrap |
| Potassium ferricynide | Merck | 104982 | 1 kg |
| 1N Potassium hydroxide solution (1 mol/l) | Scharlau | 1 Liter | |
| Clear Office tape 3mm | 3M Scotch | semi-transparent, used as diffuser for illumination | |
| salt | Great Value Iodized Salt | 6 oz for $7 salt from supermarket | |
| Silicone oil (5Cst) | Sigma Alrich | 317667-250ML | top hydrophobic layer & filling layer between electrode and insulator |
| sucrose | table sugar from any supermarket, 6 dollar per pound | ||
| Surface mount blue LED | oznium | 3528 | Oznium 20 Pieces of PLCC-2 Surface Mount LEDs, 3528 Size SMD SMT LED - Blue |
| Surface mount resistor 180k Ohm | Balance World Inc | 3mm x 6 mm 1watt | |
| Surface mount resistor 510Ohm | Balance World Inc | bias resistor for LED, 3mmx6mm 1watt | |
| Water atomizer | Grove | operating frequency 100 kHz supply votage 5V max 2W The kit comes with ultrasonic transducer | |
| high voltage transistor | |||
References
- Convery, N., Gadegaard, N.
- Rackus, D. G., Ridel-Kruse, I. H., Pamme, N. Learning on a chip: Microfluidics for formal and informal science education. Biomicrofluidics. 13, 041501 (2019).
- Legge, C. H. Chemistry under the microscope-Lab on a chip technologies. Journal of Chemical Education. 79, 173 (2002).
- Fintschenko, Y. Education: a modular approach to microfluidics in the teaching laboratory. Lab On A Chip. 11, 3394 (2011).
- Mugele, F., Baret, J. -C. Electrowetting: from basics to applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 17, 705-774 (2005).
- Lippmann, G. Relations entre les phenomenes electriques et capillary. Ann. Chim. Phys. 6, 494 (1875).
- Berge, B. Electrocapillarite et mouillge de films isolant par l'eau. C. R. Acad. Sci. II. 317, 157 (1993).
- Pollack, M. G., Fair, R. B., Shenderov, A. D. Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidics applications. Applied Physics Letters. 77, 1725 (2000).
- Lee, J., Kim, C. J. Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 171 (2000).
- Choi, K., Ng, A. H. C., Fobel, R., Wheeler, A. R.
- Jebrail, M. J., Wheeler, A. R. Let's get digital: digitizing chemical biology with microfluidics. Current Opinion in Chemical Biology. 14, 574-581 (2000).
- Pollack, M. G., Pamula, V. K., Srinivasan, V., Eckhardt, A. E. 2011. Applications of electrowetting-based digital microfluidics in clinical diagnostics. Expert Review of Molecular Diagnostics. 11, 393-407 (2011).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Rapid prototyping in copper substrates for digital microfluidics. Advanced Materials. 19 (1), 133-137 (2007).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Low-cost, rapid-prototyping of digital microfluidics devices. Microfluidics and Nanofluidics. 4, 349-355 (2008).
- Fobel, R., Fobel, C., Wheeler, A. R. DropBot: an open-source digital microfluidic control system with precise control of electrostatic driving force and instantaneous drop velocity measurement. Applied Physics Letters. 102, 193513 (2013).
- Yafia, M., Ahmadi, A., Hoorfar, M., Najjaran, H. Ultra-portable smartphone controlled integrated digital microfluidic system in a 3D-printed modular assembly. Micromachines. 6 (9), 1289-1305 (2015).
- Alistar, M., Gaudenz, U. OpenDrop: an integrated do-it-yourself platform for personal use of biochips. Bioengineering. 4 (2), 45 (2017).
- Khan, P., et al. Luminol-based chemiluminescent signals: clinical and non-clinical application and future uses. Applied Biochemistry and Biotechnology. 173 (2), 333-355 (2014).
- Agresti, J. J., et al. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (9), 4004-4009 (2010).
- Microfluidics. , Available from: https://microfluidics.utoronto.ca/dropbot/ (2020).
- Busnel, J. M., et al. Evaluation of capillary isoelectric focusing in glycerol-water media with a view to hydrophobic protein applications. Electrophoresis. 26, 3369-3379 (2005).
- Chatterjee, D., Shepherd, H., Garrell, R. L. Electromechanical model for actuating liquids in a two plate droplet microfluidic device. Lab On A Chip. 9, 1219-1229 (2009).
