مجموعة متعددة الاستخدامات تعتمد على تشغيل قطرة Microfluidics الرقمية لتعليم العلوم

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 تعليمية^2. هناك نوعان من الثاقبة، وإن كانت قديمة مقالات الاستعراض من قبل Legge وFintschenko^3،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 ليبمان^5،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 الرواد^8،9. الآن قائمة شاملة من التطبيقات على سبيل المثال ، في التشخيص السريري والكيمياء والبيولوجيا ، وقد ثبت على microfluidics^{الرقمية 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 microfluidics^{الرقمية 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).

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.

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

1. لحام المقاومات جبل السطح، الترانزستورات، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء على متن PCB وفقا للمخططات في الشكل 1b.
2. توصيل مخرجات لوحة إمداد الطاقة عالية الجهد بلوحة PCB مع المكونات اللحامية(الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
3. قم بتوصيل البطارية بلوحة تقوية الجهد لزيادة الجهد من 6 V إلى 12 V (الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
4. توصيل لوحة العرض عالية الجهد إلى لوحة الداعم الجهد لزيادة الجهد من 12 V إلى ~ 230 V (الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
5. قم بتوصيل مستشعر الرطوبة بلوحة التحكم الدقيقة. توصيل رذاذ بيزو بالموجات فوق الصوتية ولوحة سائق رذاذ إلى لوحة المتحكم الدقيق(الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
6. ضع التجميع بأكمله في حاوية الأكريليك ذات الأبعاد 23 سم × 20.5 سم × 6 سم.
7. بدوره على المتحكم الدقيق مع رمز(رمز التكميلية)واستخدام multimeter الرقمية لقياس الجهد الكهربائي EWOD للتأكد من الجهد الناتج هو ~ 230 V. ضبط المقاوم المتغير من لوحة العرض عالية الجهد بحيث الجهد الناتج هو ~ 230 V (الشكل التكميلي 2).

2) إعداد عازل على صفيف القطب

1. ارتداء قفازات نيتريل نظيفة. استخدام micropipette لتطبيق ~ 10 ميكرولتر من زيت السيليكون cSt 5 على منطقة القطب واستخدام إصبع لنشر زيت السيليكون بالتساوي على منطقة القطب. لاحظ أن زيت السيليكون بمثابة ملء بين القطب والغذاء التفاف عازل وتجنب أي airgap.
2. قطع قطعة من التفاف الغذاء مع أبعاد ما يقرب من 2.5 سم × 4 سم ووضعها على رأس القطب. استخدام micropipette لتطبيق ~ 10 ميكرولتر من زيت السيليكون 5 cSt على منطقة القطب واستخدام إصبع لنشر زيت السيليكون بالتساوي. لاحظ أن زيت السيليكون بمثابة طبقة مسعورة فوق العازل.

3) تجربة Chemiluminescence على أساس لومينول

1. مزيج 0.25 غرام من luminol و 1.6 غرام من NaOH في 25 مل من الماء deionized في كوب مع ستيرر الزجاج للحصول على حل.
2. مزيج 20 مل من الحل من الخطوة السابقة مع 20 مل من بيروكسيد الهيدروجين 3٪.
3. استخدام micropipette لوضع 2-5 ميكرولتر من محلول luminol من الخطوة السابقة على القطب الهدف.
4. استخدام micropipette لوضع 10 ميكرولتر من 0.1٪ ث / ث البوتاسيوم فيريسيانيد على القطب الكهربائي. لاحظ أن هذه هي القطرة التي سيتم نقلها للكهربة.
5. بدوره على المتحكم الدقيق لتحريك قطرة 10 ميكرولتر من فيريسيانيد البوتاسيوم لدمج مع لومينول.

4) تجربة التصوير الفلورسنت

1. قطع قطعة من الشريط شبه شفافة مع أبعاد ~ 1 سم × 1 سم. ضع الشريط شبه الشفاف بين الصمام الثنائي الباعث للضوء وأقطاب EWOD.
2. إرفاق فلتر الزجاج لون الانبعاثات على الكاميرا من الهاتف الذكي مع الشريط.
3. مزيج 2.5 ملغ من ايزوثيوسيانات الفلورسين في الإيثانول المائي (3٪ ث / ث) الحل.
4. ماصة ~ 10 μL من الحل من الخطوة السابقة على واحد من الأقطاب الكهربائية.
5. قم بتشغيل المتحكم الدقيق.
6. استخدم الهاتف الذكي لتسجيل فيديو عن تشغيل القطيرات.

5) تجربة تشغيل قطرة على المدى الطويل مع رذاذ الموجات فوق الصوتية

1. ضع 1 مل من الماء على رذاذ الموجات فوق الصوتية. لاحظ أن التعليمات البرمجية مكتوبة لاستخدام خوارزمية ملاحظات العتبة للحفاظ على مستوى رطوبة أكثر من 90٪.
2. ضع قطرة 10 ميكرولتر مع ميكروباينيت. قم بتشغيل المتحكم الدقيق واغلق غطاء الحاوية على الفور.
3. انتظر ~ 1 ساعة. تحقق بصريا من تشغيل القطيرات.

النتائج

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...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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