Универсальный комплект на основе цифровой микрофлюиды Droplet Actuation для научного образования
Summary
Мы описываем образовательный набор, который позволяет пользователям выполнять несколько экспериментов и получить практический опыт работы с цифровой микрофлюидой.
Abstract
В настоящем документе описывается образовательный комплект, основанный на цифровой микрофлюиде. В качестве конкретного примера приводится протокол эксперимента по химилюминесценции на основе люминола. Он также имеет флуоресцентные изображения и закрытый увлажненные корпуса на основе ультразвукового форсунки для предотвращения испарения. Комплект может быть собран в течение короткого периода времени и с минимальным обучением электронике и припою. Комплект позволяет как студентам/аспирантам, так и энтузиастам получить практический опыт работы с микрофлюидой интуитивно и быть обученными знакомству с цифровой микрофлюидой.
Introduction
Микрофлюиды является весьма междисциплинарной области расчесывания физики, химии, биологии и инженерии для манипуляции небольшой объем жидкостей, начиная от фемтолитров до микролитров1. Микрофлюиды также является очень широким и активным полем; Поиск Web of Science возвращает почти 20 000 публикаций, и все же не хватает литературы и обзорных работ по использованию микрофлюиды в качестве учебногопособия 2. Есть две проницательные, хотя и устаревшие обзорные статьи Легге и Финченко3,4. Legge знакомит педагогов с идеей лаборатории на чипе3. Финченко указал на роль лаборатории микрофлюиды в обучении научно-технологической инженерной математике (STEM) и упростил философию в “учить микрофлюидуиду” и “использовать микрофлюидуиду”4. Более поздний обзор Rackus, Ridel-Kruse и Pamme в 2019 году указывает на то, что в дополнение к междисциплинарному характеру, микрофлюиды также очень практический вопрос2. Практическая деятельность, связанная с практикой микрофлюиды, предоставляет учащимся обучение на основе исследований и делает его привлекательным инструментом для научной коммуникации и информационно-пропагандистской работы. Микрофлюиды действительно предлагает большой потенциал для научного образования в формальной и неформальной обстановке, а также является идеальным “инструментом”, чтобы воодушевить и просвещать общественность о междисциплинарном аспекте современных наук.
Такие примеры, как недорогие микроканальные устройства, бумажная микрофлюиду и цифровая микрофлюиды, являются идеальными инструментами для образовательных целей. Среди этих платформ, цифровые микрофлюиды остается эзотерической и рецензируемых докладов, основанных на цифровой микрофлюидыне хватает 2. Здесь мы предлагаем использовать цифровую микрофлюиду в качестве образовательного инструмента по нескольким причинам. Во-первых, цифровая микрофлюиду очень отличается от микроканальной парадигмы, поскольку она основана на манипуляции каплями и использовании капель в качестве дискретных микровесов. Во-вторых, капельками манипулируют на относительно общих электродных платформах, поэтому цифровая микрофлюида может быть тесно соединена с микроэлектроникой. Пользователи могут использовать расширенный набор электронных компонентов, теперь очень доступны для сделай сам приложений в электронном интерфейсе с каплями. Таким образом, мы утверждаем, что цифровые микрофлюиды могут позволить студентам испытать эти уникальные аспекты и быть открытыми не слишком придерживаться микроканальной основе низкой Рейнольд номер микрофлюиды1.
Короче говоря, область цифровой микрофлюиды в значительной степени основана на явлениях электроодкивания, которые были впервые описаны ГабриэльЛиппманн 5,6. Последние события были инициированы Берже в начале 1990-хгодов 7. Его ключевым вкладом является идея введения тонкого изолятора для отделять проводящие жидкости от металлических электродов, чтобы устранить проблему электролиза. Эта идея была термином, как электроотвод на диэлектрических (EWOD). Впоследствии цифровая микрофлюиды была популяризирована несколькими исследователями-первопроходцами8,9. Теперь полный список приложений, например, в клинической диагностике, химии и биологии, былдоказан на цифровой микрофлюиды 10,11,12 и, следовательно, множество примеров доступны для образовательных учреждений. В частности, по линии низкой стоимости, сделай сам цифровые микрофлюиды, Абдельгавад и Уилер ранее сообщали о недорогих, быстрых прототипах цифровых микрофлюидов13,14. Fobel и др., также сообщил DropBot как с открытым исходным кодом цифровой микрофлюидной системы управления15. Yafia и др., также сообщили портативные цифровые микрофлюиды на основе 3D печатных частей и меньше телефон16. Alistar и Gaudenz также разработали платформу OpenDrop на батарейках, которая основана на транзисторном массиве полевого эффекта и активацииDC 17.
Здесь мы представляем цифровой микрофлюиды образовательный комплект на основе коммерчески источников печатной платы (PCB), что позволяет пользователю собирать и получать практический опыт работы с цифровой микрофлюиды (Рисунок 1). Плата за услуги по созданию ПКБ из цифровых файлов дизайна широко доступна, и поэтому мы считаем, что это жизнеспособное недорогое решение для образования при условии, что цифровые файлы дизайна могут быть общими. Тщательный выбор компонентов и системного дизайна сделан для упрощения процесса сборки и создания интерфейса с интуитивно понятным пользователем. Таким образом, конфигурация одной пластины используется вместо двух пластин конфигурации, чтобы избежать необходимости в верхней пластине. Как компоненты, так и испытательные химические вещества должны быть легко доступны. Например, пищевая пленка из супермаркета используется в качестве изолятора в нашем комплекте.
Чтобы доказать осуществимость нашего комплекта, мы предлагаем конкретный химический эксперимент, основанный на химилюминесценции люминола и предоставляем протокол. Есть надежда, что визуальное наблюдение за химилюминесценцией может воодушевить и возбудить студентов. Luminol является химическим веществом, которое проявляет синее свечение при смешивании с окисливляющеевещество, такое какH 2 O2 и, как правило, используется в судебно-медицинской экспертизы дляобнаружения крови 18. В нашей лабораторной обстановке катализатором выступает феррикианин калия. Люминол реагирует с ионом гидроксида и образует дианион. Впоследствии дианион реагирует с кислородом из перекиси водорода, чтобы сформировать 5-аминофталиновой кислоты с электронами в возбужденном состоянии, и расслабление электронов от возбужденного состояния до состояния земли приводит к фотонам, видимым как взрыв синего света.
Мы также сообщаем об эксперименте с флуоресцентной визуализацией со смартфоном, чтобы продемонстрировать интеграцию светоизлучающего диода (LED) в качестве источника возбудительного света. Наконец, испарение капель является проблемой микрофлюиды, но редко решается. (1 йл капли воды теряется в пределах 1 ч от открытого субстрата3.) Мы используем распылитель на основе высокочастотного преобразователя пьезо для преобразования воды в мелкий туман. Это создает увлажняемую среду для предотвращения испарения капель и демонстрирует долгосрочную активацию капель (1 ч).
Рисунок 1: Схема EWOD создана. (a) Микроконтроллер используется для обеспечения последовательности управления электродом EWOD. Кроме того, влажность контролируется. b)Схема макета ПХД. Помечены электроды, светодиоды для флуоресцентных изображений, резистор и транзисторы полевого эффекта (FET). Также показана шкала бар 1 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Верхний вид комплекта. Помечены доска микроконтроллера, высоковольтная доска питания, EWOD PCB, датчик влажности и распылитель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанная здесь процедура позволяет читателю собрать и протестировать рабочую систему EWOD для активации капель и получить практический опыт работы с микрофлюидой. Мы намеренно избегаем дорогих компонентов и химических образцов. В настоящее время, один комплект может быть построен за $…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. хотел бы отметить финансовую поддержку со стороны Министерства науки и техники в соответствии с номерами грантов MOST 107-2621-M-007-001-MY3 и Национального университета Цин Хуа в рамках гранта номер 109-2702E1. Марк Курбан из Edanz Group (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) отредактирован проект этой рукописи.
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. Bioengineering. 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).
