과학 교육을 위한 디지털 미세 유체 액적 액적 을 기반으로 하는 다목적 키트
Summary
우리는 사용자가 여러 실험을 실행하고 디지털 미세 유체학에 대한 실습 경험을 얻을 수있는 교육 키트를 설명합니다.
Abstract
이 논문은 디지털 미세 유체학을 기반으로 하는 교육 키트에 대해 설명합니다. 루미놀 계 화학 발광 실험에 대한 프로토콜은 특정 예로 보고된다. 또한 증발을 방지하기 위해 초음파 분무기에 기반한 형광 이미징 기능과 폐쇄된 가습 인클로저를 갖추고 있습니다. 이 키트는 단기간에 전자 제품 및 납땜 교육을 최소화하면서 조립할 수 있습니다. 이 키트를 통해 학부생/대학원생과 매니아 모두 직관적인 방식으로 미세 유체학에서 실습 경험을 쌓고 디지털 미세 유체에 익숙해지도록 훈련할 수 있습니다.
Introduction
미세 유체학은 펨토리터에서 마이크로리터1에이르는 소량의 액체를 조작하기 위한 물리학, 화학, 생물학 및 엔지니어링 분야가 매우 학제간 분야입니다. 미세 유체학은 또한 매우 광범위하고 활동적인 분야입니다. 과학 검색의 웹은 거의 20,000 개의 출판물을 반환하지만 교육 도구2로미세 유체 의 사용에 대한 문헌 및 검토 논문이 충분하지 않습니다. 레게와 Fintschenko3,4에의해 오래된 리뷰 기사이기는하지만, 두 통찰력이 있습니다 . Legge는 칩3에실험실의 아이디어에 교육자 소개합니다. Fintschenko는 과학 기술 공학 수학 (STEM) 교육에서 미세 유체 교육 실험실의 역할을 지적하고 “미세 유체학을 가르치기”와 “미세 유체학사용”4로철학을 단순화했다. 라쿠스, 리델-크루스, 팜메의 최근 리뷰는 2019년 자연학 간 이외에 미세유체학도 매우 실무적인주제2라는점을 지적한다. 미세 유체 학의 연습과 관련된 실습 활동은 학생들에게 탐구 기반 학습에 빌려주며 과학 의사 소통 및 봉사 활동을위한 매력적인 도구입니다. 미세 유체학은 실제로 공식적이고 비공식적인 환경에서 과학 교육에 대한 많은 잠재력을 제공하며 현대 과학의 학제 간 측면에 대해 일반 대중을 열광시키고 교육하는 이상적인 “도구”이기도 합니다.
저비용 마이크로채널 장치, 종이 미세유체 및 디지털 미세 유체와 같은 예는 교육 목적으로 이상적인 도구입니다. 이러한 플랫폼 중 디지털 미세 유체는 디지털 미세 유체에 기반한 난해하고 동료 검토된 보고서가2가부족합니다. 여기서 우리는 여러 가지 이유로 디지털 미세 유체를 교육 도구로 사용할 것을 제안합니다. 첫째, 디지털 미세 유체는 작은 마이크로 혈관으로 물방울의 조작 및 사용법에 기초하기 때문에 마이크로 채널 기반 패러다임과 매우 구별됩니다. 둘째, 작은 물방울은 상대적으로 일반적인 전극 배열 플랫폼에서 조작되므로 디지털 미세 유체는 마이크로 전자 제품과 밀접하게 결합 될 수 있습니다. 사용자는 확장된 전자 부품 집합을 활용할 수 있으며, 이제 직접 할 수 있는 응용 프로그램에 액세스하여 물방울과 전자인터페이스할 수 있습니다. 따라서, 우리는 디지털 미세 유체학이 학생들이 이러한 독특한 측면을 경험하고 마이크로 채널 기반의 낮은 Reynold 번호 미세 유체 1에 충실지나치게 열린 마음을 할 수 있다고주장한다.
간단히 말해서, 디지털 미세 유체의 필드는 주로 가브리엘 Lippmann5,6에의해 처음 기술된 전기 습식 현상을 기반으로 합니다. 최근의 발전은 1990 년대 초에 베르게에 의해 시작되었다7. 그의 주요 기여는 전동 분해 문제를 제거하기 위해 금속 전극에서 전도성 액체를 분리하는 얇은 절연체를 도입하는 것입니다. 이 아이디어는 유전체 (EWOD)에 전기 습식으로 불려왔다. 그 후, 디지털 미세 유체는 여러 선구적인 연구원에 의해 대중화되었다8,9. 이제 임상 진단, 화학 및 생물학과 같은 포괄적인 응용 분야 목록은 디지털 미세 유체10,11,12에서 입증되었으며, 따라서 교육 환경에서 많은 예제를 사용할 수 있습니다. 특히, 저렴한 비용의 라인을 따라, 할 – 그것 – 자신 디지털 미세 유체, 압델가와드와 휠러는 이전에 디지털 미세 유체의 저렴한 비용, 빠른 프로토타이핑을보고했다 13,14. Fobel 등은 오픈 소스 디지털 미세 유체 제어 시스템15로DropBot을보고했습니다. Yafia 등은 또한 3D 인쇄 부품과 소형 전화16을기반으로 휴대용 디지털 미세 유체를 보고했습니다. 알리스타와 고덴츠는 또한 현장 효과 트랜지스터 어레이 및 DC 작동 17을 기반으로 하는 배터리 전원 OpenDrop 플랫폼을개발했습니다.
여기서, 우리는 사용자가 조립하고 디지털 미세 유체(그림 1)와실습 경험을 얻을 수 있도록 상업적으로 공급 인쇄 회로 기판 (PCB)를 기반으로 디지털 미세 유체 교육 키트를 제시한다. 디지털 디자인 파일에서 PCB를 만드는 서비스 요금은 널리 사용 가능하므로 디지털 디자인 파일을 공유할 수 있는 경우 교육용 저가형 솔루션이라고 생각합니다. 조립 프로세스를 단순화하고 사용자의 직관적인 인터페이스를 만들기 위해 구성 요소 및 시스템 설계를 꼼꼼하게 선택할 수 있습니다. 따라서 상단 플레이트의 필요성을 피하기 위해 2 플레이트 구성 대신 1 플레이트 구성이 사용됩니다. 구성 요소와 테스트 화학 물질을 모두 쉽게 사용할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 슈퍼마켓에서 음식 랩은 우리의 키트의 절연체로 사용됩니다.
키트의 타당성을 입증하기 위해 루미놀의 화학 발광을 기반으로 한 특정 화학 실험을 제안하고 프로토콜을 제공합니다. 희망은 케미발광의 시각적 관찰이 학생들을 흥분시키고 흥분시킬 수 있다는 것입니다. 루미놀은H2 O2와같은 산화제와 혼합할 때 푸른 빛을나타내며 일반적으로혈액(18)을검출하기 위해 법의학에 사용된다. 우리의 실험실 환경에서, 칼륨 페리시야니드는 촉매 역할을합니다. 루미놀은 수산화이온과 반응하여 다이아니온을 형성한다. 다이아니온은 이후 과산화수소의 산소와 반응하여 흥분된 상태에서 전자로 5-아미노프탈산을 형성하고, 흥분상태에서 지상 상태로 전자의 이완으로 인해 광자가 청색광의 파열로 볼 수 있습니다.
또한 발광 다이오드(LED)를 발광 광원으로 통합하는 것을 입증하기 위해 스마트폰을 사용하여 형광 이미징 실험을 보고합니다. 마지막으로, 액적 증발은 미세 유체 의 문제이지만 거의 해결되지 않습니다. (물방울 1μL은 열린 기판3에서1시간 이내에 손실됩니다.) 우리는 고주파 압압 트랜스듀서를 기반으로 분토미제를 사용하여 물을 미세 한 안개로 변환합니다. 이렇게 하면 액적 증발을 방지하고 장기(~1h) 액적 작동을 입증하는 가습된 환경을 만듭니다.
도 1: EWOD 설정의 회로도가 설정됩니다. (a)마이크로 컨트롤러는 EWOD 전극에 제어 서열을 제공하는 데 사용된다. 또한 습도가 제어됩니다. (b)PCB 레이아웃의 회로도. 전극, 형광 이미징, 저항기 및 현장 효과 트랜지스터(FET)에 대한 LED가 표지됩니다. 1cm의 스케일 바도 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 키트의 상단 보기. 마이크로 컨트롤러 보드, 고전압 공급 보드, EWOD PCB, 습도 센서 및 분무제에 레이블이 지정되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 설명된 절차는 독자가 액적 작동을 위해 작동하는 EWOD 시스템을 조립하고 테스트하고 미세 유체와 실습 할 수 있게 합니다. 우리는 의도적으로 비싼 구성 요소와 화학 샘플을 피합니다. 현재, 하나의 키트는 사용자 정의 아크릴 인클로저(보충 표 1)를제외한 형광 이미징 및 마이크로 컨트롤러용 광학 색상 유리인 가장 비싼 구성 요소인 ~$130을 위해 구성될 수 있다. 이러한 비용?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. 보조금 번호에 따라 과학기술부의 자금 지원을 인정하고 싶습니다 107-2621-M-007-001-MY3 및 국립 칭화 대학 보조금 번호 109Q2702E1. 에단츠 그룹(https://en-author-services.edanzgroup.com/ac)의 마크 크반은 이 원고초안을 편집했다.
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
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