Summary

مجموعة متعددة الاستخدامات تعتمد على تشغيل قطرة Microfluidics الرقمية لتعليم العلوم

Published: April 26, 2021
doi:

Summary

نحن نصف مجموعة تعليمية تسمح للمستخدمين بتنفيذ تجارب متعددة واكتساب خبرة عملية على microfluidics الرقمية.

Abstract

تصف هذه الورقة مجموعة تعليمية تستند إلى المركبات الدقيقة الرقمية. يتم الإبلاغ عن بروتوكول لتجربة الوميلومينسينس المستندة إلى لومينول كمثال محدد. كما أن لديها القدرة على التصوير الفلورسنت والضميمة الرطبة مغلقة على أساس رذاذ بالموجات فوق الصوتية لمنع التبخر. ويمكن تجميع هذه المجموعة في غضون فترة قصيرة من الزمن ومع الحد الأدنى من التدريب في مجال الالكترونيات ولحام. تسمح هذه المجموعة لكل من طلاب المرحلة الجامعية / الدراسات العليا والمتحمسين بالحصول على خبرة العملية في microfluidics بطريقة بديهية ويتم تدريبهم على اكتساب الألفة مع microfluidics الرقمية.

Introduction

Microfluidics هو حقل متعدد التخصصات للغاية تمشيط الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا والهندسة للتلاعب في حجم صغير من السوائل التي تتراوح بين femtoliter إلى microliters1. كما أن ميكروفلويديك مجال واسع جدا ونشط؛ (أ) يرجع البحث في شبكة العلوم ما يقرب من 000 20 منشور، ومع ذلك لا توجد منشورات وورقات استعراض كافية بشأن استخدام المركبات الدقيقة كأداة تعليمية2. هناك نوعان من الثاقبة، وإن كانت قديمة مقالات الاستعراض من قبل Legge وFintschenko3،4. Legge يقدم المعلمين لفكرة مختبر على رقاقة3. وأشار فينتشنكو إلى دور مختبر تدريس microfluidics في تعليم الرياضيات الهندسية لتكنولوجيا العلوم (STEM) وتبسيط الفلسفات إلى “تعليم microfluidics” و “استخدام microfluidics”4. تشير مراجعة أحدث أجراها راكوس و Ridel-Kruse و Pamme في عام 2019 إلى أنه بالإضافة إلى كونه متعدد التخصصات في طبيعته ، فإن microfluidics هو أيضا موضوع عملي للغاية2. إن النشاط العملي المتعلق بممارسة microfluidics يضفي على الطلاب التعلم القائم على التحقيق ويجعل منه أداة جذابة للاتصالات العلمية والتوعية. والواقع أن المايكروفلويديس يوفر الكثير من الإمكانات لتعليم العلوم في البيئات الرسمية وغير الرسمية على حد سواء، وهو أيضا “أداة” مثالية لإثارة وتثقيف عامة الناس حول الجانب المتعدد التخصصات للعلوم الحديثة.

ومن الأمثلة على ذلك أجهزة القنوات الصغيرة المنخفضة التكلفة، والسوائل الدقيقة الورقية، والمايكروفلويديك الرقمية أدوات مثالية للأغراض التعليمية. من بين هذه المنصات ، لا تزال microfluidics الرقمية تقارير باطنية ومراجعة الأقران على أساس microfluidics الرقمية تفتقر إلى2. هنا نقترح استخدام microfluidics الرقمية كأداة تعليمية لعدة أسباب. أولا، تتميز المركبات الدقيقة الرقمية بشكل كبير عن النموذج القائم على القنوات الدقيقة لأنها تقوم على التلاعب بالقطرات واستخدام القطرات كmicrovessels منفصلة. ثانيا، يتم التلاعب بالقطرات على منصات عامة نسبيا لمجموعة الأقطاب الكهربائية بحيث يمكن أن تقترن المركبات الدقيقة الرقمية ارتباطا وثيقا بالإلكترونيات الدقيقة. يمكن للمستخدمين الاستفادة من مجموعة موسعة من المكونات الإلكترونية ، التي يمكن الوصول إليها الآن بشكل كبير لتطبيقات Do-it-yourself للتفاعل إلكترونيا مع القطرات. وبالتالي، فإننا نجادل بأن microfluidics الرقمية يمكن أن تسمح للطلاب لتجربة هذه الجوانب الفريدة وتكون منفتحة لا مفرطة في التمسك microchannel المستندة إلى انخفاض عدد رينولد microfluidics1.

باختصار، يستند مجال microfluidics الرقمية إلى حد كبير على الظواهر كهربة، والتي وصفت لأول مرة من قبل غابرييل ليبمان5،6. بدأت التطورات الأخيرة من قبل بيرغ في أوائل 1990s7. مساهمته الرئيسية هي فكرة إدخال عازل رقيقة لفصل السائل موصل من الأقطاب المعدنية للقضاء على مشكلة التحليل الكهربائي. وقد وصفت هذه الفكرة بأنها كهربة على عازلة (EWOD). في وقت لاحق ، تم تعميم microfluidics الرقمية من قبل العديد من الباحثين الرواد8،9. الآن قائمة شاملة من التطبيقات على سبيل المثال ، في التشخيص السريري والكيمياء والبيولوجيا ، وقد ثبت على microfluidicsالرقمية 10،11،12 ، وبالتالي ، الكثير من الأمثلة المتاحة لبيئة تعليمية. على وجه الخصوص ، على طول خط التكلفة المنخفضة ، افعل ذلك بنفسك microfluidics الرقمية ، عبد الغواد ويلر قد ذكرت سابقا منخفضة التكلفة ، والنماذج السريعة من microfluidicsالرقمية 13،14. فوبل وآخرون، كما ذكرت DropBot كمصدر مفتوح الرقمية microfluidic نظام التحكم15. Yafia وآخرون، كما ذكرت microfluidics الرقمية المحمولة على أساس الأجزاء المطبوعة 3D وأصغر هاتف16. وقد وضعت Alistar وG gaudenz أيضا منصة OpenDrop التي تعمل بالبطارية ، والتي تقوم على صفيف الترانزستور تأثير الحقل و DC التشغيل17.

هنا ، نقدم مجموعة تعليمية رقمية microfluidics على أساس لوحة الدوائر المطبوعة من مصادر تجارية (PCB) التي تسمح للمستخدم بتجميع والحصول على خبرة عملية مع microfluidics الرقمية(الشكل 1). الرسوم مقابل الخدمة لإنشاء PCB من ملفات التصميم الرقمي متاحة على نطاق واسع ، وبالتالي نعتقد أنه حل قابل للتطبيق منخفض التكلفة للتعليم شريطة أن ملفات التصميم الرقمي يمكن مشاركتها. يتم الاختيار الدقيق للمكونات وتصميم النظام لتبسيط عملية التجميع وجعل واجهة مع بديهية المستخدم. وبالتالي، يتم استخدام تكوين لوحة واحدة بدلا من تكوين لوحة اثنين لتجنب الحاجة إلى لوحة أعلى. كل من المكونات والمواد الكيميائية اختبار تحتاج إلى أن تكون متاحة بسهولة. على سبيل المثال ، يتم استخدام غلاف الطعام من السوبر ماركت كعازل في مجموعتنا.

لإثبات جدوى مجموعتنا، نقترح تجربة كيمياء محددة على أساس chemiluminescence من لومينول وتوفير البروتوكول. والأمل مع ذلك هو أن المراقبة البصرية للشيميلومينس يمكن أن تثير الطلاب وتثيرهم. Luminol هي مادة كيميائية تظهر توهجا أزرق عند خلطها مع عامل مؤأكسد مثل H2O2 وتستخدم عادة في الطب الشرعي للكشف عن الدم18. في بيئة مختبرنا ، يعمل فيريسيانيد البوتاسيوم كمحفز. لومينول يتفاعل مع أيون هيدروكسيد ويشكل ديانيون. يتفاعل الديانيون لاحقا مع الأكسجين من بيروكسيد الهيدروجين لتشكيل حمض أمينوفثاليك 5 مع الإلكترونات في حالة متحمسة ، ويؤدي استرخاء الإلكترونات من الحالة المتحمسة إلى الحالة الأرضية إلى فوتونات مرئية كتفجر من الضوء الأزرق.

كما نقوم بالإبلاغ عن تجربة تصوير فلورية باستخدام هاتف ذكي لإظهار تكامل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) كمصدر لضوء الإثارة. وأخيرا، فإن تبخر القطرات يمثل مشكلة في السوائل الدقيقة ولكن نادرا ما يتم التصدي له. (يتم فقدان 1 ميكرولتر من قطرة الماء في غضون 1 ساعة من الركيزة المفتوحة3.) نحن نستخدم رذاذ على أساس محول بيزو عالية التردد لتحويل المياه إلى ضباب ناعم. وهذا يخلق بيئة رطبة لمنع تبخر القطيرات ويوضح تشغيل القطيرات على المدى الطويل (~1 ساعة).

Figure 1
الشكل 1: تخطيطات EWOD إعداد. (أ) يتم استخدام متحكم دقيق لتوفير تسلسل التحكم إلى القطب EWOD. أيضا، يتم التحكم في الرطوبة. (ب)تخطيطات تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتم تسمية الأقطاب الكهربائية، LED للتصوير الفلوري، والمقاوم، و الترانزستورات تأثير الحقل (FET). كما يظهر شريط مقياس من 1 سم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: أعلى عرض للمجموعة. لوحة المتحكم الدقيق، لوحة إمدادات الجهد العالي، EWOD PCB، استشعار الرطوبة، وatosizer وصفت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

1) تجميع مجموعة microfluidics الرقمية لحام المقاومات جبل السطح، الترانزستورات، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء على متن PCB وفقا للمخططات في الشكل 1b. توصيل مخرجات لوحة إمداد الطاقة عالية الجهد بلوحة PCB مع المكونات اللحامية(الشكل 2 والشكل التكميلي 1</…

Representative Results

يتم تسجيل تشغيل القطيرات باستخدام هاتف ذكي. يتم عرض النتائج التمثيلية للتصوير chemiluminescence والفلورسنت في الشكل 3 والشكل 4. لتجربة chemiluminescence ، يتم تشغيل قطرة من 10 ميكرولتر ferricyanide للتحرك والاختلاط مع قطرة 2 ميكرولتر المودعة مسبقا على القطب المس?…

Discussion

يسمح الإجراء الموصوف هنا للقارئ بتجميع واختبار نظام EWOD يعمل على تشغيل القطيرات واكتساب خبرة عملية مع microfluidics. نحن عمدا تجنب المكونات باهظة الثمن والعينات الكيميائية. حاليا ، يمكن أن تكون مجموعة واحدة constructedfor ~ $ 130 مع العنصر أغلى يجري الزجاج اللون البصري للتصوير الفلورسنت والمتحكم الدقيق ب…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Y. T. Y. تود أن تعترف بدعم التمويل من وزارة العلوم والتكنولوجيا تحت أرقام المنح MOST 107-2621-M-007-001-MY3 وجامعة تينج هوا الوطنية تحت رقم المنحة 109Q2702E1. قام مارك قربان من مجموعة إدانز (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) بتحرير مسودة لهذه المخطوطة.

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

  1. Convery, N., Gadegaard, N. 30 years of microfluidics. Micro and Nano Engineering. 2, 76-91 (2019).
  2. Rackus, D. G., Ridel-Kruse, I. H., Pamme, N. Learning on a chip: Microfluidics for formal and informal science education. Biomicrofluidics. 13, 041501 (2019).
  3. Legge, C. H. Chemistry under the microscope-Lab on a chip technologies. Journal of Chemical Education. 79, 173 (2002).
  4. Fintschenko, Y. Education: a modular approach to microfluidics in the teaching laboratory. Lab On A Chip. 11, 3394 (2011).
  5. Mugele, F., Baret, J. -. C. Electrowetting: from basics to applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 17, 705-774 (2005).
  6. Lippmann, G. Relations entre les phenomenes electriques et capillary. Ann. Chim. Phys. 6, 494 (1875).
  7. Berge, B. Electrocapillarite et mouillge de films isolant par l’eau. C. R. Acad. Sci. II. 317, 157 (1993).
  8. Pollack, M. G., Fair, R. B., Shenderov, A. D. Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidics applications. Applied Physics Letters. 77, 1725 (2000).
  9. Lee, J., Kim, C. J. Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 171 (2000).
  10. Choi, K., Ng, A. H. C., Fobel, R., Wheeler, A. R. Digital Microfluidics. Annual Review of Analalytical Chemistry. 5, 413-440 (2012).
  11. Jebrail, M. J., Wheeler, A. R. Let’s get digital: digitizing chemical biology with microfluidics. Current Opinion in Chemical Biology. 14, 574-581 (2000).
  12. 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).
  13. Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Rapid prototyping in copper substrates for digital microfluidics. Advanced Materials. 19 (1), 133-137 (2007).
  14. Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Low-cost, rapid-prototyping of digital microfluidics devices. Microfluidics and Nanofluidics. 4, 349-355 (2008).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Alistar, M., Gaudenz, U. OpenDrop: an integrated do-it-yourself platform for personal use of biochips. Bioengineering. 4 (2), 45 (2017).
  18. 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).
  19. 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).
  20. . Microfluidics Available from: https://microfluidics.utoronto.ca/dropbot/ (2020)
  21. 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).
  22. 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).
check_url/61978?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Guo, Y., Lee, C., Yang, Y. A Versatile Kit Based on Digital Microfluidics Droplet Actuation for Science Education. J. Vis. Exp. (170), e61978, doi:10.3791/61978 (2021).

View Video