Bilim Eğitimi için Dijital Mikroakışkanlar Damlacık Aktüasyonuna Dayalı Çok Yönlü Bir Kit
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.
Protocol
Representative Results
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 görünt?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
