Ein vielseitiges Kit basierend auf digitaler Mikrofluidics Droplet-Betätigung für die wissenschaftliche Bildung

Zusammenfassung

Wir beschreiben ein Schulungspaket, mit dem Benutzer mehrere Experimente durchführen und praktische Erfahrungen mit digitaler Mikrofluidik sammeln können.

Zusammenfassung

Dieses Papier beschreibt ein Schulungspaket, das auf digitaler Mikrofluidik basiert. Als spezifisches Beispiel wird ein Protokoll für ein Luminol-basiertes Chemilumineszenzexperiment berichtet. Es hat auch fluoreszierende Bildgebungsfähigkeit und geschlossenbefeuchtetes Gehäuse auf Basis eines Ultraschallzerstäubers, um Verdunstung zu verhindern. Das Kit kann in kurzer Zeit und mit minimaler Ausbildung in Elektronik und Löten montiert werden. Das Kit ermöglicht es sowohl Studenten und Enthusiasten, praktische Erfahrungen in der Mikrofluidik auf intuitive Weise zu sammeln und geschult zu werden, um sich mit digitaler Mikrofluidik vertraut zu machen.

Einleitung

Microfluidics ist ein hochgradig interdisziplinäres Feld, das Physik, Chemie, Biologie und Technik zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen von Femtoliter bis Mikroliter¹. Mikrofluidik ist auch ein sehr breites und aktives Feld; eine Web of Science-Suche gibt fast 20.000 Publikationen zurück, und dennoch gibt es nicht genügend Literatur und Rezensionspapiere über die Verwendung von Mikrofluidik als pädagogisches Werkzeug². Es gibt zwei aufschlussreiche, wenn auch veraltete Rezensionsartikel von Legge und Fintschenko^3,4. Legge führt Pädagogen in die Idee eines Labors auf einem Chip³ein. Fintschenko wies auf die Rolle des Mikrofluidik-Lehrlabors in der Mint-Ausbildung (Science Technology Engineering Mathematics) hin und vereinfachte die Philosophien in "Mikrofluidik lehren" und "Mikrofluidik verwenden"⁴. Eine neuere Rezension von Rackus, Ridel-Kruse und Pamme im Jahr 2019 weist darauf hin, dass die Mikrofluidik nicht nur interdisziplinär ist, sondern auch ein sehr praktisches Thema²ist. Die praktische Aktivität im Zusammenhang mit der Praxis der Mikrofluidik verleiht den Studierenden forschungsbasiertes Lernen und macht es zu einem fesselnden Werkzeug für die Wissenschaftskommunikation und Öffentlichkeitsarbeit. Mikrofluidik bietet in der Tat viel Potenzial für die wissenschaftliche Bildung sowohl in formellen als auch in informellen Umgebungen und ist auch ein ideales "Werkzeug", um die breite Öffentlichkeit für den interdisziplinären Aspekt der modernen Wissenschaften zu begeistern und zu erziehen.

Beispiele wie kostengünstige Mikrokanalgeräte, Papiermikrofluidik und digitale Mikrofluidik sind ideale Werkzeuge für Bildungszwecke. Unter diesen Plattformen bleibt die digitale Mikrofluidik esoterisch, und es fehlen Berichte, die auf digitaler Mikrofluidik basieren,². Hier schlagen wir vor, digitale Mikrofluidik aus mehreren Gründen als pädagogisches Instrument zu nutzen. Erstens unterscheidet sich die digitale Mikrofluidik sehr von mikrokanalbasierten Paradigmen, da sie auf der Manipulation der Tröpfchen und der Verwendung der Tröpfchen als diskrete Mikrogefäße basiert. Zweitens werden Tröpfchen auf relativ generischen Elektroden-Array-Plattformen manipuliert, so dass digitale Mikrofluidik eng mit Mikroelektronik gekoppelt werden kann. Benutzer können auf einen erweiterten Satz elektronischer Komponenten zugreifen, die jetzt für Heimwerkeranwendungen gut zugänglich sind, um die elektronische Schnittstelle mit Tröpfchen zu ermöglichen. Daher argumentieren wir, dass digitale Mikrofluidik es den Schülern ermöglichen kann, diese einzigartigen Aspekte zu erleben und aufgeschlossen zu sein, nicht übermäßig an Mikrokanal-basierter geringer Reynold-Anzahl mikrofluidics¹festzuhalten.

Kurz gesagt, der Bereich der digitalen Mikrofluidik basiert weitgehend auf den Elektronässungsphänomenen, die zuerst von Gabriel Lippmann^5,6beschrieben wurden. Die jüngsten Entwicklungen wurden von Berge In den frühen 1990er Jahren^{initiiert 7}. Sein Wichtigster Beitrag ist die Idee, einen dünnen Isolator einzuführen, um die leitfähige Flüssigkeit von metallischen Elektroden zu trennen, um das Problem der Elektrolyse zu beseitigen. Diese Idee wurde als Elektronässe auf Dielektrikum (EWOD) bezeichnet. In der Folge wurde die digitale Mikrofluidik von mehreren Pionierforschern bekannt gemacht^8,9. Nun wurde eine umfassende Liste von Anwendungen, z.B. in der klinischen Diagnostik, Chemie und Biologie, zur digitalen Mikrofluidik^10,11,12 nachgewiesen und somit stehen viele Beispiele für einen pädagogischen Rahmen zur Verfügung. Insbesondere auf der Linie der niedrigen Kosten, Do-it-yourself digitale Mikrofluidik, Abdelgawad und Wheeler haben zuvor berichtet low-cost, Rapid Prototyping der digitalen Mikrofluidik^13,14. Fobel et al., hat auch Berichtet DropBot als Open-Source-Digital-Mikrofluid-Steuerungssystem¹⁵. Yafia et al., berichtete auch eine tragbare digitale Mikrofluidik auf Basis von 3D-gedruckten Teilen und kleineretelefon¹⁶. Alistar und Gaudenz haben auch die batteriebetriebene OpenDrop-Plattform entwickelt, die auf dem Feldeffekt-Transistor-Array und der DC-Betätigung¹⁷basiert.

Hier präsentieren wir ein digitales Mikrofluidik-Lernkit, das auf einer leiteritellen Leiterplatte (PCB) basiert, die es dem Benutzer ermöglicht, praktische Erfahrungen mit digitaler Mikrofluidik zu sammeln und zu sammeln (Abbildung 1). Die Gebühr für den Service zum Erstellen von Leiterplatten aus digitalen Designdateien ist weit verbreitet, und daher denken wir, dass es sich um eine praktikable kostengünstige Lösung für die Bildung handelt, vorausgesetzt, dass digitale Designdateien gemeinsam genutzt werden können. Die sorgfältige Auswahl der Komponenten und das Systemdesign werden getroffen, um den Montageprozess zu vereinfachen und eine Schnittstelle mit dem intuitiven Benutzer zu schaffen. Daher wird anstelle einer Zwei-Platten-Konfiguration eine Ein-Platten-Konfiguration verwendet, um eine Platte zu vermeiden. Sowohl die Komponenten als auch die Prüfchemikalien müssen leicht verfügbar sein. Zum Beispiel wird Lebensmittelverpackung aus dem Supermarkt als Isolator in unserem Kit verwendet.

Um die Machbarkeit unseres Kits zu beweisen, schlagen wir ein spezifisches Chemieexperiment vor, das auf der Chemilumineszenz von Luminol basiert, und stellen das Protokoll zur Verfügung. Die Hoffnung ist, dass die visuelle Beobachtung der Chemilumineszenz Studenten begeistern und begeistern kann. Luminol ist eine Chemikalie, die einen blauen Glanz aufweist, wenn sie mit einem Oxidationsmittel wie_H2O2 gemischt wird und in der Regel in der Forensik verwendet wird, um Blut zu erkennen¹⁸. In unserem Labor dient Kaliumferricyanid als Katalysator. Luminol reagiert mit dem Hydroxid-Ion und bildet ein Dianion. Das Dianion reagiert anschließend mit Sauerstoff aus Wasserstoffperoxid, um 5-Aminophthalsäure mit Elektronen in einem angeregten Zustand zu bilden, und die Entspannung der Elektronen vom angeregten Zustand in den Bodenzustand führt zu Photonen, die als Blaulichtausbruch sichtbar sind.

Wir berichten auch über ein fluoreszierendes Bildgebungsexperiment mit einem Smartphone, um die Integration einer Leuchtdiode (LED) als Anregungslichtquelle zu demonstrieren. Schließlich ist die Tröpfchenverdunstung ein Problem in der Mikrofluidik, wird aber selten angegangen. (Ein Wassertröpfchen von 1 l geht innerhalb von 1 h von einem offenen Substrat³verloren.) Wir verwenden einen Zerstäuber auf Basis eines hochfrequenten Piezo-Wandlers, um Wasser in feinen Nebel umzuwandeln. Dadurch entsteht eine befeuchtete Umgebung, um eine Tröpfchenverdunstung zu verhindern, und zeigt eine langfristige (ca. 1 h) Tröpfchenbetätigung.

Abbildung 1:Schemata der EWOD-Einrichtung. (a) Ein Mikrocontroller wird verwendet, um der EWOD-Elektrode eine Regelsequenz zur Verfügung zu stellen. Auch die Luftfeuchtigkeit wird kontrolliert. (b) Schemata des Leiterplattenlayouts. Elektroden, LED für fluoreszierende Bildgebung, Widerstand und Feldeffekttransistoren (FET) sind gekennzeichnet. Maßstabsleiste von 1 cm wird ebenfalls angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2:Obere Ansicht des Kits. Mikrocontroller-Platine, Hochspannungs-Versorgungsplatine, EWOD-Leiterplatte, Feuchtesensor und Zerstäuber sind beschriftet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokoll

1) Montage des digitalen Mikrofluidik-Kits

1. Löten Sie die Oberflächenmontagewiderstände, Transistoren und Leuchtdioden auf die Leiterplatte gemäß den Schaltplänen in Abbildung 1b.
2. Schließen Sie den Ausgang der Hochspannungs-Netzteilplatine mit gelöteten Komponenten an die Leiterplatte an (Abbildung 2 und Zusatzabbildung 1).
3. Schließen Sie die Batterie an die Spannungsverstärkerplatine an, um die Spannung von 6 V auf 12 V zu erhöhen (Abbildung 2 und Zusatzabbildung 1).
4. Schließen Sie die Hochspannungs-Versorgungsplatine an die Spannungsverstärkerplatine an, um die Spannung von 12 V auf 230 V zu erhöhen(Abbildung 2 und Zusatzabbildung 1).
5. Schließen Sie den Feuchtigkeitssensor an die Mikrocontrollerplatine an. Schließen Sie den Ultraschall-Piezo-Zerstäubeniser und das Zerstäuber-Treiberboard an die Mikrocontrollerplatine an (Abbildung 2 und Ergänzende Abbildung 1).
6. Legen Sie die gesamte Baugruppe in das Acrylgehäuse mit den Abmessungen 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
7. Schalten Sie den Mikrocontroller mit dem Code (Supplementary Code) ein und verwenden Sie das digitale Multimeter, um die Spannung der EWOD-Elektrode zu messen, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung 230 V beträgt. Passen Sie den variablen Widerstand der Hochspannungs-Versorgungsplatine so an, dass die Ausgangsspannung 230 V beträgt(Zusatzabbildung 2).

2) Herstellung des Isolators auf dem Elektrodenarray

1. Tragen Sie saubere Nitrilhandschuhe. Verwenden Sie eine Mikropipette, um silikonöl mit einem Wert von 10 °C 5 cSt auf den Elektrodenbereich aufzutragen und das Silikonöl gleichmäßig auf den Elektrodenbereich zu verteilen. Beachten Sie, dass das Silikonöl als Füllung zwischen Elektrode und Lebensmittel-Wrap-Isolator dient und Luftspalte zu vermeiden.
2. Schneiden Sie ein Stück Lebensmittelfolie mit Abmessungen von ca. 2,5 cm x 4 cm und legen Sie es auf die Elektrode. Verwenden Sie die Mikropipette, um das Silikonöl mit einem Finger gleichmäßig zu verteilen. Beachten Sie, dass das Silikonöl als hydrophobe Schicht auf dem Isolator dient.

3) Chemilumineszenzexperiment auf Basis von Luminol

1. Mischen Sie 0,25 g Luminol und 1,6 g NaOH in 25 ml entionisiertem Wasser in einem Becher mit einem Glasrührer, um eine Lösung zu erhalten.
2. Mischen Sie 20 ml der Lösung aus dem vorherigen Schritt mit 20 ml 3% Wasserstoffperoxid.
3. Verwenden Sie eine Mikropipette, um 2-5 l der Luminol-Lösung aus dem vorherigen Schritt auf die Zielelektrode zu legen.
4. Verwenden Sie eine Mikropipette, um 10 l 0,1% mit Kaliumferricyanid auf die Elektrode zu legen. Beachten Sie, dass dies der Tröpfchen ist, der für die Elektrobenetzung bewegt werden soll.
5. Schalten Sie den Mikrocontroller ein, um das 10-L-Tröpfchen Kaliumferricyanid zu bewegen, um mit dem Luminol zu verschmelzen.

4) Fluoreszierendes Bildgebungsexperiment

1. Schneiden Sie ein Stück halbtransparentes Klebeband mit Maßen von 1 cm x 1 cm. Legen Sie das halbtransparente Band zwischen die Anregungsleuchtdiode und EWOD-Elektroden.
2. Befestigen Sie den Emissionsfarbglasfilter mit Klebeband an der Kamera des Smartphones.
3. Mischen Sie 2,5 mg Fluorescein isothiocyanat in wässriger Ethanollösung (3% w/w).
4. Pipette 10 l der Lösung aus dem vorherigen Schritt auf einer der Elektroden.
5. Schalten Sie den Mikrocontroller ein.
6. Verwenden Sie das Smartphone, um ein Video der Tröpfchenbetätigung aufzunehmen.

5) Langzeit-Tröpfchen-Betätigungsexperiment mit Ultraschall-Zerstäuben

1. 1 ml Wasser auf den Ultraschallzerstäuber legen. Beachten Sie, dass der Code geschrieben wird, um einen Schwellenwert-Feedback-Algorithmus zu verwenden, um eine Luftfeuchtigkeit von über 90 % beizubehalten.
2. Legen Sie ein 10-L-Tröpfchen mit einer Mikropipette. Schalten Sie den Mikrocontroller ein und schließen Sie sofort den Deckel des Gehäuses.
3. Warten Sie auf 1 h. Visuelle Überprüfung der Tröpfchenbetätigung.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Ergebnisse

Die Tröpfchenbetätigung wird mit einem Smartphone aufgezeichnet. Repräsentative Ergebnisse für Chemilumineszenz und fluoreszierende Bildgebung sind in Abbildung 3 und Abbildung 4dargestellt. Für das Chemilumineszenzexperiment wird das Tröpfchen von 10 L Ferricyanid betätigt, um sich zu bewegen und mit vorgelagerten 2 L Tröpfchen auf der Zielelektrode zu mischen, wie in Abbildung 3dargestellt....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Diskussion

Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht es dem Leser, ein funktionierendes EWOD-System zur Tröpfchenbetätigung zusammenzustellen und zu testen und praktische Erfahrungen mit Mikrofluidik zu sammeln. Wir vermeiden bewusst teure Komponenten und chemische Proben. Derzeit kann ein Kit für 130 $ mit dem teuersten Bauteil optisches Farbglas für fluoreszierende Bildgebung und Mikrocontroller ohne das benutzerdefinierte Acrylgehäuse(Ergänzungstabelle 1) konstruiert werden. Zu einem solchen Preis sind a...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materialien

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