Et alsidigt sæt baseret på digital mikrofluidics droplet aktivering til naturvidenskabelige uddannelser

Summary

Vi beskriver et uddannelsessæt, der giver brugerne mulighed for at udføre flere eksperimenter og få praktisk erfaring med digitale mikrofluidics.

Abstract

Dette papir beskriver en pædagogisk kit baseret på digitale mikrofluidics. En protokol for luminolbaseret chemiluminescenseksperiment rapporteres som et specifikt eksempel. Det har også fluorescerende billeddannelse kapacitet og lukket befugtet kabinet baseret på en ultralyd forstøver for at forhindre fordampning. Sættet kan samles inden for kort tid og med minimal træning i elektronik og lodning. Sættet giver både bachelor / kandidatstuderende og entusiaster til at opnå hands-on erfaring i mikrofluidics på en intuitiv måde og blive uddannet til at få kendskab til digitale mikrofluidics.

Introduction

Mikrofluidics er et meget tværfagligt felt kæmning fysik, kemi, biologi og teknik til manipulation af små mængder væsker lige fra femtoliter til mikroliter¹. Mikrofluidics er også et meget bredt og aktivt felt; en Web of Science søgning returnerer næsten 20.000 publikationer, og alligevel er der utilstrækkelig litteratur og revision papirer om brugen af mikrofluidics som pædagogisk værktøj². Der er to indsigtsfulde, omend forældede anmeldelsesartikler af Legge og Fintschenko^3,4. Legge introducerer undervisere til ideen om et laboratorium på en chip³. Fintschenko påpegede den rolle, mikrofluidics undervisning lab i Science Technology Engineering Mathematics (STEM) uddannelse og forenklet filosofier i “undervise mikrofluidics” og “brug mikrofluidics”⁴. En nyere gennemgang af Rackus, Ridel-Kruse og Pamme i 2019 påpeger, at mikrofluidics ud over at være tværfaglige er også et meget praktisk emne². Den praktiske aktivitet i forbindelse med praksis med mikrofluidics giver studerende mulighed for undersøgelsesbaseret læring og gør det til et engagerende værktøj til videnskabskommunikation og opsøgende arbejde. Mikrofluidics faktisk giver et stort potentiale for naturvidenskabelige uddannelser i både formelle og uformelle omgivelser og er også et ideelt “værktøj” til at begejstre og uddanne offentligheden om det tværfaglige aspekt af moderne videnskab.

Eksempler som billige mikrokanalenheder, papirmikrofluidics og digitale mikrofluidics er ideelle værktøjer til uddannelsesmæssige formål. Blandt disse platforme mangler digitale mikrofluidics fortsat esoteriske og peer-reviewed rapporter baseret på digitale mikrofluidics^{mangler 2}. Her foreslår vi at bruge digitale mikrofluidics som et pædagogisk værktøj af flere grunde. For det første er digital mikrofluidics meget forskellig fra mikrokanal-baserede paradigme, fordi det er baseret på manipulation af dråber og brug af dråber som diskrete mikrovessels. For det andet manipuleres dråber på relativt generiske elektrode-array platforme, så digitale mikrofluidics kan tæt kombineres med mikroelektronik. Brugere kan udnytte et udvidet sæt elektroniske komponenter, der nu er meget tilgængelige for gør-det-selv-applikationer til elektronisk grænseflade med dråber. Derfor argumenterer vi for, at digitale mikrofluidics kan lade eleverne opleve disse unikke aspekter og være fordomsfri ikke alt for at holde sig til mikrokanalbaserede lav Reynold antal mikrofluidics¹.

Kort sagt er området for digital mikrofluidics i vid udstrækning baseret på elektrowettingfænomenerne, som først blev beskrevet af Gabriel Lippmann^5,6. Den seneste udvikling blev indledt af Berge i begyndelsen af 1990’erne⁷. Hans vigtigste bidrag er ideen om at indføre en tynd isolator for at adskille den ledende væske fra metalliske elektroder for at eliminere problemet med elektrolyse. Denne idé er blevet kaldt elektrowetting på dielektrisk (EWOD). Efterfølgende blev de digitale mikrofluidics populariseret af flere banebrydende forskere^8,9. Nu er en omfattende liste over applikationer for eksempel i klinisk diagnostik, kemi og biologi blevet bevist på digital mikrofluidics^10,11,12 og derfor er der masser af eksempler til rådighed for en uddannelsesmæssig indstilling. Især langs den linje af lave omkostninger, gør-det-selv digitale mikrofluidics, Abdelgawad og Wheeler har tidligere rapporteret billige, hurtig prototyper af digitale mikrofluidics^13,14. Fobel et al., har også rapporteret DropBot som en open source digital mikrofluidic kontrolsystem¹⁵. Yafia et al., rapporterede også en bærbar digital mikrofluidics baseret på 3D trykte dele og mindre telefon¹⁶. Alistar og Gaudenz har også udviklet den batteridrevne OpenDrop platform, som er baseret på felteffekten transistor array og dc aktivering¹⁷.

Her præsenterer vi et digitalt mikrofluidics pædagogisk kit baseret på kommercielt indkøbt printkort (PCB), der giver brugeren mulighed for at samle og få praktisk erfaring med digitale mikrofluidics (Figur 1). Gebyr for service til at oprette PCB fra digitale designfiler er bredt tilgængeligt, og derfor synes vi, det er en levedygtig billig løsning til uddannelse, forudsat at digitale designfiler kan deles. Omhyggeligt valg af komponenter og systemdesign er lavet for at forenkle montageprocessen og gøre en grænseflade med brugerens intuitive. Derfor bruges en enpladekonfiguration i stedet for en topladekonfiguration for at undgå behovet for en topplade. Både komponenterne og testkemikalierne skal være let tilgængelige. For eksempel bruges madindpakning fra supermarkedet som isolator i vores kit.

For at bevise gennemførligheden af vores kit foreslår vi et specifikt kemieksperiment baseret på luminols chemiluminescens og leverer protokollen. Håbet er, at visuel observation af chemiluminescens kan begejstre og ophidse studerende. Luminol er et kemikalie, der udviser en blå glød, når det blandes med et oxiderende middel som H₂O₂ og bruges typisk i retsvidenskab til at detektere blod¹⁸. I vores laboratoriemiljø fungerer kaliumferricyanid som katalysator. Luminol reagerer med hydroxidionen og danner en dianion. Dianionen reagerer efterfølgende med ilt fra brintoverilte for at danne 5-aminophthalic syre med elektroner i ophidset tilstand, og afslapning af elektroner fra ophidset tilstand til jordtilstand resulterer i fotoner, der er synlige som et udbrud af blåt lys.

Vi rapporterer også et fluorescerende billedeksperiment med en smart telefon for at demonstrere integrationen af en lysdiode (LED) som en excitationslyskilde. Endelig er dråbefordampning et problem i mikrofluidics, men bliver sjældent behandlet. (En vanddråbe på 1 μL går tabt inden for 1 time fra et åbent substrat^3.) Vi bruger en forstøver baseret på en højfrekvent piezo transducer til at omdanne vand til fin tåge. Dette skaber et befugtet miljø for at forhindre dråbefordampning og demonstrerer langvarig (~ 1 h) dråbeaktivering.

Figur 1: Skemaer over EWOD-opsætning. Fugtigheden styres også. (b) Skemaer over PCB-layout. Elektroder, LED for fluorescerende billeddannelse, modstand, og felteffekt transistorer (FET) er mærket. Skalabjælke på 1 cm vises også. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2:Topvisning af sættet. Microcontroller bord, højspændingsforsyning bord, EWOD PCB, fugtighed sensor, og forstøver er mærket. Klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

1) Samling af det digitale mikrofluidics kit Lodde overflademonteringsmodstande, transistorer og lysdioder på PRINT-brættet i henhold til skemaerne i figur 1b. Tilslut højspændingsforsyningskortets output til PRINT-brættet med loddede komponenter(figur 2 og supplerende figur 1). Tilslut batteriet til spændingsforstærkerpladen for at øge spændingen fra 6 V til 12 V (figur 2 og <…

Representative Results

Dråbeaktivering registreres med en smartphone. De repræsentative resultater for chemiluminescens og fluorescerende billeddannelse er vist i figur 3 og figur 4. Til chemiluminescensforsøget aktiveres dråben på 10 μL ferricyanid for at bevæge sig og blandes med forudindstillet 2 μL dråbe på målelektroden som vist i figur 3. Tidsperioden mellem successive bevægelse er indstillet til at være…

Discussion

Den her beskrevne procedure gør det muligt for læseren at samle og teste et fungerende EWOD-system til dråbeaktivering og få praktisk erfaring med mikrofluidics. Vi undgår med vilje dyre komponenter og kemiske prøver. I øjeblikket kan et sæt konstrueresfor ~ $ 130 med den dyreste komponent er optisk farveglas til fluorescerende billeddannelse og mikrokontroller eksklusive brugerdefinerede akryl kabinet(Supplerende Tabel 1). For en sådan omkostning, en fluorescerende billeddannelse kapacitet og e…

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