Et allsidig sett basert på digital mikrofluidikkdråpeaktivering for naturfagdidaktikk

Summary

Vi beskriver et pedagogisk sett som lar brukerne utføre flere eksperimenter og få praktisk erfaring med digital mikrofluidikk.

Abstract

Denne artikkelen beskriver et pedagogisk sett basert på digital mikrofluidikk. En protokoll for luminolbasert chemiluminescenseksperiment rapporteres som et spesifikt eksempel. Den har også fluorescerende bildebehandlingsevne og lukket fuktet kabinett basert på en ultralydforstøver for å forhindre fordampning. Settet kan monteres innen kort tid og med minimal opplæring i elektronikk og lodding. Settet gjør det mulig for både studenter og entusiaster å få praktisk erfaring innen mikrofluidikk på en intuitiv måte og bli opplært til å bli kjent med digital mikrofluidikk.

Introduction

Mikrofluidikk er et svært tverrfaglig felt kammefysikk, kjemi, biologi og ingeniørkunst for manipulering av små mengder væsker som spenner fra femtoliter til mikroliter¹. Mikrofluidikk er også et veldig bredt og aktivt felt; et Web of Science-søk returnerer nesten 20 000 publikasjoner, og likevel er det utilstrekkelig litteratur og gjennomgangsartikler om bruken av mikrofluidikk som pedagogisk verktøy². Det er to innsiktsfulle, om enn utdaterte gjennomgangsartikler av Legge og Fintschenko^3,4. Legge introduserer lærere til ideen om et laboratorium på en chip³. Fintschenko påpekte rollen som mikrofluidics undervisningslaboratorium i Science Technology Engineering Mathematics (STEM) utdanning og forenklet filosofiene til å “undervise mikrofluidikk” og “bruke mikrofluidikk”⁴. En nyere gjennomgang av Rackus, Ridel-Kruse og Pamme i 2019 påpeker at i tillegg til å være tverrfaglig i naturen, er mikrofluidikk også et veldig praktisk emne². Den praktiske aktiviteten knyttet til mikrofluidics praksis gir studentene til utforskende læring og gjør det til et engasjerende verktøy for vitenskapelig kommunikasjon og oppsøkende arbeid. Mikrofluidikk gir faktisk mye potensial for naturfagdidaktikk i både formelle og uformelle omgivelser og er også et ideelt “verktøy” for å begeistre og utdanne allmennheten om det tverrfaglige aspektet ved moderne vitenskap.

Eksempler som rimelige mikrokanalenheter, papirmikrofluidikk og digital mikrofluidikk er ideelle verktøy for pedagogiske formål. Blant disse plattformene forblir digital mikrofluidikk esoteriske og fagfellevurderte rapporter basert på digital mikrofluidikk mangler². Her foreslår vi å bruke digital mikrofluidikk som pedagogisk verktøy av flere grunner. For det første er digital mikrofluidikk svært forskjellig fra mikrokanalbasert paradigme fordi det er basert på manipulering av dråpene og bruken av dråpene som diskrete mikrovesseler. For det andre manipuleres dråper på relativt generiske elektrode-array-plattformer, slik at digital mikrofluidikk kan kombineres intimt med mikroelektronikk. Brukere kan utnytte et utvidet sett med elektroniske komponenter, nå svært tilgjengelig for gjør-det-selv-applikasjoner for elektronisk grensesnitt med dråper. Derfor hevder vi at digital mikrofluidikk kan la studentene oppleve disse unike aspektene og være fordomsfrie, ikke altfor å holde seg til mikrokanalbasert lavt Reynold-nummer mikrofluidikk¹.

Kort sagt er feltet digital mikrofluidikk i stor grad basert på elektrowetting fenomener, som først ble beskrevet av Gabriel Lippmann^5,6. Den siste utviklingen ble initiert av Berge tidlig på 1990-tallet⁷. Hans viktigste bidrag er ideen om å introdusere en tynn isolator for å skille den ledende væsken fra metalliske elektroder for å eliminere problemet med elektrolyse. Denne ideen har blitt betegnet som elektrowetting på dielektrisk (EWOD). Deretter ble den digitale mikrofluidikken popularisert av flere banebrytende forskere^8,9. Nå er en omfattende liste over applikasjoner for eksempel i klinisk diagnostikk, kjemi og biologi, bevist på digital mikrofluidikk^10,11,12 og derfor er mange eksempler tilgjengelige for en pedagogisk setting. Spesielt langs linjen med lave kostnader, gjør-det-selv digital mikrofluidikk, Abdelgawad og Wheeler har tidligere rapportert lavpris, rask prototyping av digital mikrofluidikk^13,14. Fobel et al., har også rapportert DropBot som en åpen kildekode digital mikrofluidisk kontrollsystem¹⁵. Yafia et al., rapporterte også en bærbar digital mikrofluidikk basert på 3D-trykte deler og mindre telefon¹⁶. Alistar og Gaudenz har også utviklet den batteridrevne OpenDrop-plattformen, som er basert på felteffekttransistor array og DC-aktivering¹⁷.

Her presenterer vi et digitalt mikrofluidikkopplæringssett basert på kommersielt hentet kretskort (PCB) som lar brukeren montere og få praktisk erfaring med digital mikrofluidikk (Figur 1). Avgift for service for å lage PCB fra digitale designfiler er allment tilgjengelig, og derfor tror vi det er en levedyktig lavkostnadsløsning for utdanning forutsatt at digitale designfiler kan deles. Omhyggelig valg av komponenter og systemdesign er laget for å forenkle monteringsprosessen og lage et grensesnitt med brukerens intuitive. Derfor brukes en enplatekonfigurasjon i stedet for en toplatekonfigurasjon for å unngå behov for en toppplate. Både komponentene og testkjemikaliene må være lett tilgjengelige. For eksempel brukes matinnpakning fra supermarkedet som isolator i settet vårt.

For å bevise gjennomførbarhet av settet vårt, foreslår vi et spesifikt kjemieksperiment basert på chemiluminescence av luminol og gir protokollen. Håpet er at visuell observasjon av chemiluminescence kan begeistre og begeistre studenter. Luminol er et kjemikalie som viser en blå glød når den blandes med et oksidasjonsmiddel som H₂O₂ og brukes vanligvis i rettsmedisin for å oppdage blod¹⁸. I våre laboratorieinnstillinger fungerer kalium ferricyanid som katalysator. Luminol reagerer med hydroksydionen og danner en dianion. Dianionen reagerer deretter med oksygen fra hydrogenperoksid for å danne 5-aminoftalsyre med elektroner i en spent tilstand, og avslapning av elektroner fra spent tilstand til bakketilstand resulterer i fotoner synlige som et utbrudd av blått lys.

Vi rapporterer også et fluorescerende bildebehandlingseksperiment med en smarttelefon for å demonstrere integreringen av en lysdiode (LED) som en eksitasjonslyskilde. Til slutt er dråpefordampning et problem i mikrofluidikk, men blir sjelden adressert. (En 1 μL vanndråpe går tapt innen 1 time fra et åpent substrat³.) Vi bruker en forstøver basert på en høyfrekvent piezo-svinger for å konvertere vann til fin tåke. Dette skaper et fuktet miljø for å forhindre fordampning av dråper og demonstrerer langvarig (~ 1 t) dråpeaktivering.

Figur 1: Skjemaer for EWOD-oppsett. (a) En mikrokontroller brukes til å gi en kontrollsekvens til EWOD-elektroden. Også fuktigheten styres. (b) Skjemaer for PCB-oppsett. Elektroder, LED for fluorescerende avbildning, motstand og felteffekttransistorer (FET) er merket. Skalastang på 1 cm vises også. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2: Settets øverste visning. Mikrokontrollerkort, høyspennings forsyningskort, EWOD PCB, fuktighetssensor og forstøver er merket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Protocol

1) Montering av det digitale mikrofluidikksettet Lodde overflatemonteringsmotstander, transistorer og lysemitterende dioder på PCB-kortet i henhold til skjemaene i figur 1b. Koble utgangen på høyspenningskortet til PCB-kortet med loddede komponenter (Figur 2 og Tilleggs figur 1). Koble batteriet til spenningsboosterkortet for å øke spenningen fra 6 V til 12 V (Figur 2 og Ti…

Representative Results

Dråpeaktiveringen registreres med en smarttelefon. Representative resultater for chemiluminescens og fluorescerende avbildning vises i figur 3 og figur 4. For chemiluminescenseksperimentet aktiveres dråpen på 10 μL ferricyanid for å bevege seg og blandes med forhåndsavsatt 2 μL dråpe på målelektroden som vist i figur 3. Tidsperioden mellom påfølgende bevegelse er satt til å være 4 s, sa…

Discussion

Prosedyren som er beskrevet her, gjør det mulig for leseren å montere og teste et fungerende EWOD-system for dråpeaktivering og få praktisk erfaring med mikrofluidikk. Vi unngår med vilje dyre komponenter og kjemiske prøver. For tiden kan ett sett konstrueres for ~ $ 130 med den dyreste komponenten som er optisk fargeglass for fluorescerende avbildning og mikrokontroller unntatt det tilpassede akrylkabinettet (Supplerende tabell 1). For en slik kostnad er også en fluorescerende bildebehandlingsevn…

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