Een veelzijdige kit gebaseerd op digitale microfluïdische druppelbediening voor wetenschappelijk onderwijs
Summary
We beschrijven een educatieve kit waarmee gebruikers meerdere experimenten kunnen uitvoeren en praktische ervaring kunnen opdoen met digitale microfluïdica.
Abstract
Dit artikel beschrijft een educatieve kit op basis van digitale microfluïdica. Een protocol voor op luminol gebaseerd chemiluminescentie-experiment wordt gerapporteerd als een specifiek voorbeeld. Het heeft ook fluorescerende beeldvormingscapaciteit en gesloten bevochtigde behuizing op basis van een ultrasone verstuiver om verdamping te voorkomen. De kit kan in korte tijd en met minimale training in elektronica en solderen worden geassembleerd. De kit stelt zowel niet-gegradueerde / afgestudeerde studenten als enthousiastelingen in staat om op een intuïtieve manier praktische ervaring op te doen in microfluïdica en te worden opgeleid om vertrouwd te raken met digitale microfluïdica.
Introduction
Microfluidics is een zeer interdisciplinair veld dat fysica, chemie, biologie en engineering kamt voor de manipulatie van kleine hoeveelheden vloeistoffen, variërend van femtoliter tot microliters1. Microfluïdica is ook een zeer breed en actief vakgebied; een web of science-zoekopdracht levert bijna 20.000 publicaties op en toch is er onvoldoende literatuur en recensiedocumenten over het gebruik van microfluïdica als educatief instrument2. Er zijn twee inzichtelijke, zij het verouderde recensieartikelen van Legge en Fintschenko3,4. Legge laat opvoeders kennismaken met het idee van een lab op een chip3. Fintschenko wees op de rol van microfluïdica onderwijslab in Science Technology Engineering Mathematics (STEM) onderwijs en vereenvoudigde de filosofieën in “teach microfluidics” en “use microfluidics”4. Een recentere review van Rackus, Ridel-Kruse en Pamme in 2019 wijst erop dat microfluïdica niet alleen interdisciplinair van aard is, maar ook een zeer praktisch onderwerp2. De praktische activiteit met betrekking tot de praktijk van microfluïdica leent studenten voor op onderzoek gebaseerd leren en maakt het een boeiend hulpmiddel voor wetenschapscommunicatie en outreach. Microfluïdica biedt inderdaad veel potentieel voor wetenschapsonderwijs in zowel formele als informele omgevingen en is ook een ideaal “hulpmiddel” om het grote publiek te enthousiasmeren en te informeren over het interdisciplinaire aspect van moderne wetenschappen.
Voorbeelden zoals goedkope microkanaalapparaten, papieren microfluïdica en digitale microfluïdica zijn ideale hulpmiddelen voor educatieve doeleinden. Onder deze platforms blijven digitale microfluïdica esoterische en peer-reviewed rapporten op basis van digitale microfluïdica ontbreken2. Hier stellen we voor om digitale microfluïdica om verschillende redenen als educatief hulpmiddel te gebruiken. Ten eerste is digitale microfluïdica zeer verschillend van microkanaalgebaseerd paradigma omdat het is gebaseerd op manipulatie van de druppels en het gebruik van de druppels als discrete microvessels. Ten tweede worden druppels gemanipuleerd op relatief generieke elektrode-array platforms, zodat digitale microfluïdica nauw kunnen worden gekoppeld aan micro-elektronica. Gebruikers kunnen gebruikmaken van een uitgebreide set elektronische componenten, die nu zeer toegankelijk zijn voor doe-het-zelftoepassingen om elektronisch te communiceren met druppels. Daarom stellen we dat digitale microfluïdica studenten deze unieke aspecten kunnen laten ervaren en open-minded kunnen zijn om zich niet overdreven te houden aan microchannel-gebaseerde lage Reynold-nummermicrofluidics1.
Kortom, het gebied van digitale microfluïdica is grotendeels gebaseerd op de elektrowettingsverschijnselen, die voor het eerst werden beschreven door Gabriel Lippmann5,6. De recente ontwikkelingen werden geïnitieerd door Berge in de vroege jaren ’907. Zijn belangrijkste bijdrage is het idee om een dunne isolator in te voeren om de geleidende vloeistof van metalen elektroden te scheiden om het probleem van elektrolyse te elimineren. Dit idee wordt elektrowetting op diëlektrisch (EWOD) genoemd. Vervolgens werd de digitale microfluïdica gepopulariseerd door verschillende baanbrekende onderzoekers8,9. Nu is een uitgebreide lijst van toepassingen, bijvoorbeeld in klinische diagnostiek, chemie en biologie, bewezen op digitale microfluïdica10,11,12 en daarom zijn er tal van voorbeelden beschikbaar voor een educatieve omgeving. In het bijzonder hebben Abdelgawad en Wheeler, in het lijn van goedkope, doe-het-zelf digitale microfluïdica, eerder goedkope, snelle prototyping van digitale microfluïdicagerapporteerd 13,14. Fobel et al., heeft ook gemeld DropBot als een open source digitale microfluïdische controlesysteem15. Yafia et al., meldde ook een draagbare digitale microfluïdica op basis van 3D-geprinte onderdelen en kleinere telefoon16. Alistar en Gaudenz hebben ook het batterij aangedreven OpenDrop-platform ontwikkeld, dat is gebaseerd op de veldeffecttransistorarray en dc-bediening17.
Hier presenteren we een digitale microfluïdische educatieve kit op basis van commercieel geproduceerde printplaat (PCB) waarmee de gebruiker digitale microfluïdica kan assembleren en praktische ervaring kan opdoen (figuur 1). Fee-for-service om PCB’s te maken van digitale ontwerpbestanden is op grote schaal beschikbaar, en daarom denken we dat het een haalbare goedkope oplossing voor onderwijs is, op voorwaarde dat digitale ontwerpbestanden kunnen worden gedeeld. Zorgvuldige keuze van componenten en systeemontwerp is gemaakt om het assemblageproces te vereenvoudigen en een interface te maken met het intuïtieve van de gebruiker. Daarom wordt een configuratie met één plaat gebruikt in plaats van een configuratie met twee platen om te voorkomen dat er een bovenplaat nodig is. Zowel de componenten als de teststoffen moeten gemakkelijk beschikbaar zijn. Voedselfolie uit de supermarkt wordt bijvoorbeeld gebruikt als isolator in onze kit.
Om de haalbaarheid van onze kit te bewijzen, stellen we een specifiek chemie-experiment voor op basis van chemiluminescentie van luminol en bieden we het protocol. De hoop is dat visuele observatie van chemiluminescentie studenten kan enthousiasmeren en prikkelen. Luminol is een chemische stof die een blauwe gloed vertoont wanneer gemengd met een oxidatiemiddel zoals H2O2 en wordt meestal gebruikt in forensisch onderzoek om bloed te detecteren18. In onze laboratoriumomgeving dient kalium ferricyanide als katalysator. Luminol reageert met het hydroxide-ion en vormt een dianion. Het dianion reageert vervolgens met zuurstof uit waterstofperoxide om 5-aminoftaalzuur te vormen met elektronen in een opgewonden toestand, en ontspanning van elektronen van de opgewonden toestand naar de grondtoestand resulteert in fotonen die zichtbaar zijn als een uitbarsting van blauw licht.
We rapporteren ook een fluorescerend beeldvormingsexperiment met een smartphone om de integratie van een lichtgevende diode (LED) als excitatielichtbron aan te tonen. Ten slotte is druppelverdamping een probleem in microfluïdica, maar wordt het zelden aangepakt. (Een waterdruppel van 1 μL gaat binnen 1 uur verloren van een open substraat3.) We gebruiken een verstuiver op basis van een hoogfrequente piëzo-transducer om water om te zetten in fijne nevel. Dit creëert een bevochtigde omgeving om druppelverdamping te voorkomen en demonstreert langdurige (~ 1 uur) druppelbediening.
Figuur 1: Schema’s van EWOD-opstelling. (a) Een microcontroller wordt gebruikt om een controlevolgorde aan de EWOD-elektrode te geven. Ook wordt de luchtvochtigheid geregeld. (b) Schema’s van PCB lay-out. Elektroden, LED voor fluorescerende beeldvorming, weerstand en veldeffecttransistors (FET) zijn gelabeld. Schaalbalk van 1 cm wordt ook getoond. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2: Bovenaanzicht van de kit. Microcontroller board, high voltage supply board, EWOD PCB, vochtigheidssensor en verstuiver zijn gelabeld. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier beschreven procedure stelt de lezer in staat om een werkend EWOD-systeem te monteren en te testen op druppelbediening en praktijkervaring op te doen met microfluïdica. We vermijden opzettelijk dure componenten en chemische monsters. Momenteel, kan één uitrusting voor ~$130 worden geconstrueerd met het duurste component zijnd optisch kleurenglas voor fluorescente beeldvorming en microcontroller exclusief de douane acryldekking(Supplementige Lijst 1). Voor een dergelijke prijs is ook een fluores…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. wil graag de financiële steun van het Ministerie van Wetenschap en Technologie erkennen onder subsidienummers MOST 107-2621-M-007-001-MY3 en National Tsing Hua University onder subsidienummer 109Q2702E1. Mark Kurban van Edanz Group (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) bewerkte een ontwerp van dit manuscript.
Materials
| 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. 30 years of microfluidics. Micro and Nano Engineering. 2, 76-91 (2019).
- 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. Digital Microfluidics. Annual Review of Analalytical Chemistry. 5, 413-440 (2012).
- 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. Bio-ingénierie. 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).
