ערכה רב-תכליתית המבוססת על מפעיל טיפת מיקרופלואידיקה דיגיטלית לחינוך מדעי
Summary
אנו מתארים ערכה חינוכית המאפשרת למשתמשים לבצע ניסויים מרובים ולצבור ניסיון מעשי במיקרופלואידיקה דיגיטלית.
Abstract
מאמר זה מתאר ערכה חינוכית המבוססת על מיקרופלואידיקה דיגיטלית. פרוטוקול עבור ניסוי chemiluminescence מבוסס לומינול מדווח כדוגמה ספציפית. יש לו גם יכולת הדמיה פלואורסצנטית ומארז לח סגור המבוסס על אטומיזר קולי למניעת אידוי. ניתן להרכיב את הערכה בתוך פרק זמן קצר ועם הכשרה מינימלית באלקטרוניקה והלחמה. הערכה מאפשרת הן לסטודנטים לתארים מתקדמים והן לחובבים לקבל ניסיון מעשי במיקרופלואידיקה באופן אינטואיטיבי ולהיות מאומנים לרכוש היכרות עם מיקרופלואידיקה דיגיטלית.
Introduction
מיקרופלואידיקה (Microfluidics) הוא תחום בינתחומי ביותר הסורק פיזיקה, כימיה, ביולוגיה והנדסה לצורך מניפולציה של נפח קטן של נוזלים, החל מפטוליטר ועדמיקרוליטרים 1. מיקרופלואידיקה היא גם תחום רחב ופעיל מאוד; חיפוש באינטרנט של המדע מחזיר כמעט 20,000 פרסומים ובכל זאת אין מספיק ספרות וסקירה מאמרים על השימוש microfluidics ככלי חינוכי2. ישנם שני מאמרי סקירה בעלי תובנה, אם כי מיושנים של לגה ופינטשנקו3,4. לג מציגה למחנכים את הרעיון של מעבדה על שבב3. Fintschenko הצביע על התפקיד של מיקרופלואידיקה הוראת מעבדה בחינוך מתמטיקה הנדסת טכנולוגיה מדעית (STEM) ופישט את הפילוסופיות לתוך “ללמד microfluidics” ו “להשתמש microfluidics”4. סקירה עדכנית יותר של רקוס, רידל-קרוסה ופאם בשנת 2019 מציינת כי בנוסף להיותם בינתחומיים בטבע, מיקרופלואידיקה היא גם נושא מעשי מאוד2. הפעילות הידיים הקשורות לפרקטיקה של מיקרופלואידיקה מעניקה לתלמידים למידה מבוססת חקירה והופכת אותה לכלי מרתק לתקשורת מדעית וסיוע. מיקרופלואידיקה אכן מציעה פוטנציאל רב לחינוך מדעי הן במסגרות פורמליות והן במסגרות לא פורמליות והיא גם “כלי” אידיאלי להתלהב ולחנך את הציבור הרחב על ההיבט הבינתחומי של המדעים המודרניים.
דוגמאות כגון התקני מיקרו-ערוצים בעלות נמוכה, מיקרופלואידיקה של נייר ומיקרופלואידיקה דיגיטלית הם כלים אידיאליים למטרות חינוכיות. בין פלטפורמות אלה, מיקרופלואידיקה דיגיטלית נשאר דוחות אזוטריים ביקורת עמיתים המבוססים על microfluidics דיגיטלי חסרים2. כאן אנו מציעים להשתמש microfluidics דיגיטלי ככלי חינוכי מכמה סיבות. ראשית, מיקרופלואידיקה דיגיטלית נבדלת מאוד מפרדיגמה מבוססת מיקרו-ערוצים מכיוון שהיא מבוססת על מניפולציה של הטיפות ושימוש בטיפות כמיקרו-וסלים נפרדים. שנית, טיפות מתומרנות בפלטפורמות גנריות יחסית של מערך אלקטרודות, כך שניתן ל בשילוב אינטימי של מיקרופלואידיקה דיגיטלית עם מיקרואלקטרוניקה. משתמשים יכולים למנף על קבוצה מורחבת של רכיבים אלקטרוניים, עכשיו נגיש מאוד עבור יישומים לעשות זאת בעצמך ממשק אלקטרוני עם טיפות. לפיכך, אנו טוענים כי microfluidics דיגיטלי יכול לאפשר לתלמידים לחוות היבטים ייחודיים אלה ולהיות עם ראש פתוח לא יתר על המידה לדבוק microchannel מבוסס נמוך Reynold מספר microfluidics1.
בקצרה, תחום המיקרופלואידיקה הדיגיטלית מבוסס במידה רבה על תופעות האלקטרו-וטינג, שתוארו לראשונה על ידי גבריאל ליפמן5,6. ההתפתחויות האחרונות היו ביוזמת ברג בתחילת שנות התשעים7. תרומתו העיקרית היא הרעיון של החדרת מבודד דק כדי להפריד את הנוזל המוליכה מאלקטרודות מתכתיות כדי לחסל את הבעיה של אלקטרוליזה. רעיון זה נקרא אלקטרווטינג על דיאלקטרי (EWOD). לאחר מכן, microfluidics דיגיטלי היה פופולרי על ידי מספר חוקרים חלוציים8,9. עכשיו רשימה מקיפה של יישומים למשל, באבחון קליני, כימיה וביולוגיה, הוכח על microfluidics דיגיטלי10,11,12 ולכן, שפע של דוגמאות זמינים עבור הגדרה חינוכית. בפרט, לאורך הקו של עלות נמוכה, לעשות זאת בעצמך מיקרופלואידיקה דיגיטלית, Abdelgawad ו וילר דיווחו בעבר בעלות נמוכה, אב טיפוס מהיר של microfluidics דיגיטלי13,14. Fobel et al., דיווחה גם DropBot כמערכת בקרה מיקרופלואידית דיגיטלית קוד פתוח15. Yafia et al., דיווחה גם על מיקרופלואידיקה דיגיטלית ניידת המבוססת על חלקים מודפסים בתלת מימד וטלפון קטן יותר16. Alistar ו Gaudenz פיתחו גם את הסוללה מופעל OpenDrop פלטפורמה, אשר מבוסס על מערך טרנזיסטור אפקט השדה והפעלת DC17.
כאן, אנו מציגים ערכת חינוך מיקרופלואידית דיגיטלית המבוססת על לוח מעגלים מודפסים (PCB) ממקור מסחרי המאפשר למשתמש להרכיב ולקבל ניסיון מעשי עם מיקרופלואידיקה דיגיטלית (איור 1). תשלום עבור שירות כדי ליצור PCB מקבצי עיצוב דיגיטלי זמין באופן נרחב, ולכן אנו חושבים שזה פתרון בעלות נמוכה קיימא לחינוך בתנאי קבצי עיצוב דיגיטלי ניתן לשתף. בחירה קפדנית של רכיבים ועיצוב מערכת נעשית כדי לפשט את תהליך ההרכבה ולהפוך ממשק עם אינטואיטיבי של המשתמש. לפיכך, תצורה של לוח אחד משמשת במקום תצורה של שני לוחות כדי למנוע את הצורך בלוח עליון. הן הרכיבים והן כימיקלי הבדיקה צריכים להיות זמינים בקלות. לדוגמה, עטיפת מזון מהסופרמרקט משמשת כמבודד בערכה שלנו.
כדי להוכיח היתכנות של הערכה שלנו, אנו מציעים ניסוי כימיה ספציפי המבוסס על chemiluminescence של luminol ולספק את הפרוטוקול. התקווה היא כי התבוננות חזותית של chemiluminescence יכול להלהיב ולרגש את התלמידים. Luminol הוא כימיקל המציג זוהר כחול כאשר מעורבב עם סוכן חמצון כגון H2O2 והוא משמש בדרך כלל זיהוי פלילי כדי לזהותדם 18. בהגדרת המעבדה שלנו, אשלגן ברזל משמש כזרז. לומינול מגיב עם יון הידרוקסיד ויוצר דיאן. הדיאניון מגיב לאחר מכן עם חמצן ממי חמצן ליצירת חומצה 5 אמינופתלית עם אלקטרונים במצב נרגש, והרפיה של אלקטרונים מהמצב הנרגש למצב הקרקע גורמת לפוטונים הנראים כפרץ של אור כחול.
אנו מדווחים גם על ניסוי הדמיה פלואורסצנטית עם טלפון חכם כדי להדגים את השילוב של דיודה פולטת אור (LED) כמקור אור עירור. לבסוף, אידוי טיפות הוא בעיה microfluidics אבל הוא רק לעתים רחוקות מטופל. (1 μL של טיפת מים הולך לאיבוד בתוך 1 שעה ממצע פתוח3.) אנו משתמשים באטומיזר המבוסס על מתמר פיזו בתדר גבוה כדי להמיר מים לערפל דק. זה יוצר סביבה לחה כדי למנוע אידוי טיפה ומדגים לטווח ארוך (~ 1 h) הטיפה הפעלה.
איור 1: שרטוטים של הגדרת EWOD משמשים למיקרו-בקר כדי לספק רצף בקרה לאלקטרודה של EWOD. כמו כן, הלחות נשלטת. (ב)שרטוטים של פריסת PCB. אלקטרודות, LED להדמיה פלואורסצנטית, נגד ואפקט שדה טרנזיסטורים (FET) מסומנים. סרגל קנה מידה של 1 ס”מ מוצג גם. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תצוגה עליונה של הערכה. לוח מיקרו-בקרים, לוח אספקת מתח גבוה, PCB EWOD, חיישן לחות ואטומיזר מסומנים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההליך המתואר כאן מאפשר לקורא להרכיב ולבדוק מערכת EWOD עובדת להפעלת טיפות ולצבור ניסיון מעשי עם מיקרופלואידיקה. אנו נמנעים במכוון מרכיבים יקרים ודגימות כימיות. נכון לעכשיו, ערכה אחת יכולה להיבנות עבור ~ $ 130 עם הרכיב היקר ביותר להיות זכוכית צבע אופטי עבור הדמיה פלואורסצנטית מיקרו בקרוילר למע?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. רוצה להכיר בתמיכת מימון ממשרד המדע והטכנולוגיה תחת מספרי המענקים ביותר 107-2621-M-007-001-MY3 ואוניברסיטת צינג הואה הלאומית תחת מענק מספר 109Q2702E1. מארק קורבן מקבוצת אדנז (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) ערך טיוטה של כתב יד זה.
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).
