Ett mångsidigt kit baserat på digital mikrofluidik droppe aktuation för vetenskapsutbildning
Summary
Vi beskriver ett utbildningskit som gör det möjligt för användare att utföra flera experiment och få praktisk erfarenhet av digital mikrofluidik.
Abstract
Detta dokument beskriver ett utbildningskit baserat på digital mikrofluidik. Ett protokoll för luminol-baserade chemiluminescence experiment rapporteras som ett specifikt exempel. Den har också fluorescerande bildframställningsförmåga och slutna fuktade höljen baserat på en ultraljudsatomiserare för att förhindra avdunstning. Satsen kan monteras inom kort och med minimal utbildning i elektronik och lödning. Satsen gör det möjligt för både studenter och entusiaster att få praktisk erfarenhet av mikrofluidik på ett intuitivt sätt och utbildas för att få kännedom om digitala mikrofluidik.
Introduction
Mikrofluidik är ett mycket tvärvetenskapligt område som kombinerar fysik, kemi, biologi och teknik för manipulering av små volymer vätskor som sträcker sig från femtoliter till mikroliter1. Mikrofluidik är också ett mycket brett och aktivt område; en Web of Science-sökning returnerar nästan 20 000 publikationer och ändå finns det otillräcklig litteratur och granska artiklar om användningen av mikrofluidik som utbildningsverktyg2. Det finns två insiktsfulla, om än föråldrade recensionsartiklar av Legge och Fintschenko3,4. Legge introducerar pedagoger till idén om ett labb på ett chip3. Fintschenko påpekade rollen som mikrofluidik undervisningslabb i science technology engineering mathematics (STEM) utbildning och förenklade filosofierna till “lära mikrofluidik” och “använda mikrofluidik”4. En nyare granskning av Rackus, Ridel-Kruse och Pamme under 2019 påpekar att mikrofluidik, förutom att vara tvärvetenskapliga till sin natur, också är ett mycket praktisk ämne2. Den praktiska aktiviteten i samband med mikrofluidik ger eleverna möjlighet till undersökningsbaserat lärande och gör det till ett engagerande verktyg för vetenskapskommunikation och uppsökande verksamhet. Mikrofluidik erbjuder verkligen mycket potential för vetenskaplig utbildning i både formella och informella miljöer och är också ett idealiskt “verktyg” för att locka och utbilda allmänheten om den tvärvetenskapliga aspekten av modern vetenskap.
Exempel som billiga mikrokanalenheter, pappersmikrofluidik och digitala mikrofluidik är idealiska verktyg för utbildningsändamål. Bland dessa plattformar är digital mikrofluidik fortfarande esoteriska och peer-reviewed rapporter baserade på digitala mikrofluidik saknas2. Här föreslår vi att digitala mikrofluidik används som utbildningsverktyg av flera skäl. För det första skiljer sig digitala mikrofluidik mycket från mikrokanalbaserat paradigm eftersom det bygger på manipulering av dropparna och användning av dropparna som diskreta mikrovessels. För det andra manipuleras droppar på relativt generiska elektrodmatrisplattformar så att digitala mikrofluidik kan kopplas intimt med mikroelektronik. Användare kan utnyttja en utökad uppsättning elektroniska komponenter, som nu är mycket tillgängliga för gör-det-själv-applikationer för att elektroniskt samverka med droppar. Därför hävdar vi att digitala mikrofluidik kan låta eleverna uppleva dessa unika aspekter och vara öppna för att inte alltför ofta hålla sig till mikrokanalbaserad låg Reynold antal mikrofluidik1.
Kortfattat är området digital mikrofluidik till stor del baserat på elektrowettingfenomenet, som först beskrevs av Gabriel Lippmann5,6. Den senaste utvecklingen initierades av Berge i början av 1990-talet7. Hans viktigaste bidrag är idén att införa en tunn isolator för att separera den ledande vätskan från metalliska elektroder för att eliminera problemet med elektrolys. Denna idé har kallats elektrowetting på dielektrisk (EWOD). Därefter populariserades den digitala mikrofluidiken av flera banbrytande forskare8,9. Nu har en omfattande lista över tillämpningar, till exempel inom klinisk diagnostik, kemi och biologi, bevisats på digital mikrofluidik10,11,12 och därför finns gott om exempel tillgängliga för en utbildningsmiljö. I synnerhet, i linje med låg kostnad, gör-det-själv digitala mikrofluidik, Abdelgawad och Wheeler har tidigare rapporterat billiga, snabba prototyper av digitala mikrofluidik13,14. Fobel et al., har också rapporterat DropBot som en öppen källkod digitala mikrofluidiska styrsystem15. Yafia et al., rapporterade också en bärbar digital mikrofluidik baserad på 3D-utskrivna delar och mindre telefon16. Alistar och Gaudenz har också utvecklat den batteridrivna OpenDrop-plattformen, som är baserad på fälteffekttransistormatrisen och dc-akten17.
Här presenterar vi ett digitalt mikrofluidik utbildningskit baserat på kommersiellt askaffat kretskort (PCB) som gör det möjligt för användaren att montera och få praktisk erfarenhet av digital mikrofluidik (Figur 1). Avgift för service för att skapa PCB från digitala designfiler är allmänt tillgänglig, och därför tror vi att det är en livskraftig lågkostnadslösning för utbildning förutsatt att digitala designfiler kan delas. Noggrant val av komponenter och systemdesign görs för att förenkla monteringsprocessen och göra ett gränssnitt med användarens intuitiva. Därför används en konfiguration med en platta istället för en konfiguration med två platta för att undvika behovet av en toppplatta. Både komponenterna och testkemikalierna måste vara lättillgängliga. Till exempel används matfolie från snabbköpet som isolator i vårt kit.
För att bevisa genomförbarheten av vårt kit föreslår vi ett specifikt kemiexperiment baserat på chemiluminescens av luminol och tillhandahålla protokollet. Förhoppningen är att visuell observation av chemiluminescens kan locka och locka studenter. Luminol är en kemikalie som uppvisar en blå glöd när den blandas med ett oxiderande medel som H2O2 och används vanligtvis i kriminalteknik för att upptäcka blod18. I vår laboratoriemiljö fungerar kalium ferricyanid som katalysator. Luminol reagerar med hydroxidjonen och bildar en dianion. Dianion reagerar därefter med syre från väteperoxid för att bilda 5-aminoftalsyra med elektroner i ett upphetsadt tillstånd, och avslappning av elektroner från det upphetsade tillståndet till marktillståndet resulterar i fotoner synliga som en explosion av blått ljus.
Vi rapporterar också ett fluorescerande bildexperiment med en smart telefon för att demonstrera integrationen av en lysdiod (LED) som excitationsljuskälla. Slutligen är droppavdunstning ett problem inom mikrofluidik men behandlas sällan. (En 1 μL vattendroppe går förlorad inom 1 timme från ett öppet substrat3.) Vi använder en finfördelare baserad på en högfrekvent piezo-givare för att omvandla vatten till fin dimma. Detta skapar en fuktad miljö för att förhindra droppavdunstning och visar långsiktig (~ 1 h) droppaktuation.
Figur 1:Schematik för EWOD-uppsättningen. (a) En mikrokontroller används för att tillhandahålla en styrsekvens till EWOD-elektroden. Luftfuktigheten är också kontrollerad. b)Ritningar över mönsterkortslayouten. Elektroder, LED för fluorescerande avbildning, motstånd och fälteffekttransistorer (FET) är märkta. Skalbar på 1 cm visas också. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 2: Satsens överst. Mikrokontrollerkort, högspänningsförsörjningskort, EWOD PCB, fuktighetssensor och finfördelare är märkta. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Förfarandet som beskrivs här gör det möjligt för läsaren att montera och testa ett fungerande EWOD-system för droppaktivering och få praktisk erfarenhet av mikrofluidik. Vi undviker avsiktligt dyra komponenter och kemiska prover. För närvarande kan ett kit konstrueras för ~ $ 130 med den dyraste komponenten är optiskt färgglas för fluorescerande avbildning och mikrokontroller exklusive det anpassade akrylhöljet(tilläggstabell 1). För en sådan kostnad ingår också en fluorescerande bild…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. skulle vilja erkänna finansieringsstöd från ministeriet för vetenskap och teknik under bidragsnummer MOST 107-2621-M-007-001-MY3 och National Tsing Hua University under bidragsnummer 109Q2702E1. Mark Kurban från Edanz Group (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) redigerade ett utkast till detta manuskript.
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 |
Riferimenti
- 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. Bioingegneria. 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).
