Un kit versátil basado en la actuación de gotas de microfluídica digital para la educación científica
Summary
Describimos un kit educativo que permite a los usuarios ejecutar múltiples experimentos y obtener experiencia práctica en microfluídicos digitales.
Abstract
Este artículo describe un kit educativo basado en microfluídicos digitales. Un protocolo para el experimento de quimioluminiscencia basado en luminal se notifica como un ejemplo específico. También tiene capacidad de imágenes fluorescentes y cerramiento humidificado cerrado basado en un atomizador ultrasónico para evitar la evaporación. El kit se puede montar en un corto período de tiempo y con un entrenamiento mínimo en electrónica y soldadura. El kit permite a estudiantes de pregrado/posgrado y entusiastas obtener experiencia práctica en microfluídicos de una manera intuitiva y ser entrenados para familiarizarse con los microfluídicos digitales.
Introduction
Microfluidics es un campo altamente interdisciplinario que peina física, química, biología e ingeniería para la manipulación de pequeños volúmenes de líquidos que van desde femtoliter a microlitros1. La microfluídica también es un campo muy amplio y activo; una búsqueda en la Web of Science devuelve casi 20.000 publicaciones y, sin embargo, no hay suficiente literatura y artículos de revisión sobre el uso de microfluídicos como herramienta educativa2. Hay dos artículos de revisión perspicaces, aunque anticuados por Legge y Fintschenko3,4. Legge presenta a los educadores la idea de un laboratorio en un chip3. Fintschenko señaló el papel del laboratorio de enseñanza de microfluídicos en la educación en Matemáticas de Ingeniería de Tecnología Científica (STEM) y simplificó las filosofías en “enseñar microfluídicas” y “utilizar microfluídicos”4. Una revisión más reciente de Rackus, Ridel-Kruse y Pamme en 2019 señala que además de ser de naturaleza interdisciplinaria, la microfluídica también es un tema muy práctico2. La actividad práctica relacionada con la práctica de la microfluídica presta a los estudiantes al aprendizaje basado en la investigación y lo convierte en una herramienta atractiva para la comunicación científica y la divulgación. De hecho, la microfluidics ofrece mucho potencial para la educación científica tanto en entornos formales como informales y también es una “herramienta” ideal para entusiasmar y educar al público en general sobre el aspecto interdisciplinario de las ciencias modernas.
Ejemplos como dispositivos de microcanal de bajo costo, microfluídicos de papel y microfluídicos digitales son herramientas ideales para fines educativos. Entre estas plataformas, los microfluídicos digitales siguen siendo informes esotéricos y revisados por pares basados en microfluídicos digitales que carecende 2. Aquí proponemos utilizar la microfluídica digital como herramienta educativa por varias razones. En primer lugar, la microfluidics digital es muy distinta del paradigma basado en microcanal porque se basa en la manipulación de las gotas y el uso de las gotas como microvelas discretas. En segundo lugar, las gotas se manipulan en plataformas de matriz de electrodos relativamente genéricas para que los microfluídicos digitales puedan combinarse íntimamente con microelectrónica. Los usuarios pueden aprovechar un conjunto extendido de componentes electrónicos, ahora altamente accesibles para aplicaciones do-it-yourself para interactuar electrónicamente con gotas. Por lo tanto, argumentamos que los microfluídicos digitales pueden permitir a los estudiantes experimentar estos aspectos únicos y ser de mente abierta no demasiado para apegarse a microfluídicos de bajo número reynold basados en microcanal1.
Brevemente, el campo de los microfluídicos digitales se basa en gran medida en los fenómenos de electrowetting, que fue descrito por primera vez por Gabriel Lippmann5,6. Los últimos acontecimientos fueron iniciados por Berge a principios de la década de 19907. Su contribución clave es la idea de introducir un aislador delgado para separar el líquido conductor de los electrodos metálicos para eliminar el problema de la electrólisis. Esta idea ha sido denominada electrowetting en dieléctrico (EWOD). Posteriormente, la microfluídica digital fue popularizada por varios investigadores pioneros8,9. Ahora se ha probado una lista completa de aplicaciones, por ejemplo, en diagnóstico clínico, química y biología, en microfluídica digital10,11,12 y, por lo tanto, hay muchos ejemplos disponibles para un entorno educativo. En particular, a lo largo de la línea de microfluídicos digitales de bajo costo, do-it-yourself, Abdelgawad y Wheeler han reportado previamente prototipado rápido y de bajo costo de microfluidics digitales13,14. Fobel et al., también ha informado DropBot como un sistema de control microfluídico digital de código abierto15. Yafia et al., también informó de un microfluídico digital portátil basado en piezas impresas en 3D y el teléfono más pequeño16. Alistar y Gaudenz también han desarrollado la plataforma OpenDrop alimentada por batería, que se basa en la matriz de transistores de efecto de campo y la accionación de CC17.
Aquí, presentamos un kit educativo de microfluídicos digitales basado en placa de circuito impreso de origen comercial (PCB) que permite al usuario ensamblar y obtener experiencia práctica con microfluídicos digitales(Figura 1). Fee-for-service para crear PCB a partir de archivos de diseño digital está ampliamente disponible, y por lo tanto creemos que es una solución viable de bajo costo para la educación siempre que los archivos de diseño digital se puedan compartir. La elección meticulosa de los componentes y el diseño del sistema se hace para simplificar el proceso de montaje y hacer una interfaz con la intuición del usuario. Por lo tanto, se utiliza una configuración de una placa en lugar de una configuración de dos placas para evitar la necesidad de una placa superior. Tanto los componentes como los productos químicos de prueba deben estar fácilmente disponibles. Por ejemplo, la envoltura de alimentos del supermercado se utiliza como aislante en nuestro kit.
Para demostrar la viabilidad de nuestro kit, sugerimos un experimento químico específico basado en la quimioluminiscencia del luminol y proporcionamos el protocolo. La esperanza es que la observación visual de la quimioluminiscencia pueda entusiasmar y excitar a los estudiantes. El luminol es un químico que exhibe un resplandor azul cuando se mezcla con un agente oxidante como H2O2 y se utiliza típicamente en los forenses para detectar sangre18. En nuestro entorno de laboratorio, el ferricianuro de potasio sirve como catalizador. El luminol reacciona con el ión de hidróxido y forma un dianion. El dianion posteriormente reacciona con oxígeno del peróxido de hidrógeno para formar ácido 5-aminofálico con electrones en un estado excitado, y la relajación de los electrones desde el estado excitado hasta el estado del suelo resulta en fotones visibles como una explosión de luz azul.
También informamos de un experimento de imágenes fluorescentes con un teléfono inteligente para demostrar la integración de un diodo emisor de luz (LED) como fuente de luz de excitación. Por último, la evaporación de gotas es un problema en los microfluídicos, pero rara vez se está abordando. (A 1 μL de gota de agua se pierde dentro de 1 h de un sustrato abierto3.) Utilizamos un atomizador basado en un transductor piezozo de alta frecuencia para convertir el agua en niebla fina. Esto crea un ambiente humidificado para evitar la evaporación de gotas y demuestra la actuación de gotas a largo plazo (~1 h).
Figura 1: Esquemas de configuración EWOD. ( a ) Se utilizaunmicrocontrolador para proporcionar una secuencia de control al electrodo EWOD. Además, la humedad está controlada. b) Esquemas de diseño PCB. Los electrodos, el LED para imágenes fluorescentes, resistencias y transistores de efecto de campo (FET) están etiquetados. También se muestra barra de escala de 1 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Vista superior del kit. La placa de microcontrolador, la placa de alimentación de alta tensión, el PCB EWOD, el sensor de humedad y el atomizador están etiquetados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
El procedimiento descrito aquí permite al lector ensamblar y probar un sistema EWOD en funcionamiento para el accionamiento de gotas y obtener experiencia práctica con microfluídicos. Evitamos intencionalmente componentes costosos y muestras químicas. Actualmente, se puede construir un kit por ~$130 con el componente más caro es el vidrio óptico de color para imágenes fluorescentes y microcontrolador excluyendo la carcasa acrílica personalizada(Tabla complementaria 1). Para tal costo, también se…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. desea reconocer el apoyo financiero del Ministerio de Ciencia y Tecnología bajo los números de subvención MOST 107-2621-M-007-001-MY3 y la Universidad Nacional Tsing Hua bajo el número de subvención 109Q2702E1. Mark Kurban de Edanz Group (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) editó un borrador de este manuscrito.
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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- Rackus, D. G., Ridel-Kruse, I. H., Pamme, N. Learning on a chip: Microfluidics for formal and informal science education. Biomicrofluidics. 13, 041501 (2019).
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