Un kit versátil basado en la actuación de gotas de microfluídica digital para la educación científica

Resumen

Describimos un kit educativo que permite a los usuarios ejecutar múltiples experimentos y obtener experiencia práctica en microfluídicos digitales.

Resumen

Este artículo describe un kit educativo basado en microfluídicos digitales. Un protocolo para el experimento de quimioluminiscencia basado en luminal se notifica como un ejemplo específico. También tiene capacidad de imágenes fluorescentes y cerramiento humidificado cerrado basado en un atomizador ultrasónico para evitar la evaporación. El kit se puede montar en un corto período de tiempo y con un entrenamiento mínimo en electrónica y soldadura. El kit permite a estudiantes de pregrado/posgrado y entusiastas obtener experiencia práctica en microfluídicos de una manera intuitiva y ser entrenados para familiarizarse con los microfluídicos digitales.

Introducción

Microfluidics es un campo altamente interdisciplinario que peina física, química, biología e ingeniería para la manipulación de pequeños volúmenes de líquidos que van desde femtoliter a microlitros^1. La microfluídica también es un campo muy amplio y activo; una búsqueda en la Web of Science devuelve casi 20.000 publicaciones y, sin embargo, no hay suficiente literatura y artículos de revisión sobre el uso de microfluídicos como herramienta educativa^2. Hay dos artículos de revisión perspicaces, aunque anticuados por Legge y Fintschenko^3,4. Legge presenta a los educadores la idea de un laboratorio en un chip^3. Fintschenko señaló el papel del laboratorio de enseñanza de microfluídicos en la educación en Matemáticas de Ingeniería de Tecnología Científica (STEM) y simplificó las filosofías en "enseñar microfluídicas" y "utilizar microfluídicos"⁴. Una revisión más reciente de Rackus, Ridel-Kruse y Pamme en 2019 señala que además de ser de naturaleza interdisciplinaria, la microfluídica también es un tema muy práctico^2. La actividad práctica relacionada con la práctica de la microfluídica presta a los estudiantes al aprendizaje basado en la investigación y lo convierte en una herramienta atractiva para la comunicación científica y la divulgación. De hecho, la microfluidics ofrece mucho potencial para la educación científica tanto en entornos formales como informales y también es una "herramienta" ideal para entusiasmar y educar al público en general sobre el aspecto interdisciplinario de las ciencias modernas.

Ejemplos como dispositivos de microcanal de bajo costo, microfluídicos de papel y microfluídicos digitales son herramientas ideales para fines educativos. Entre estas plataformas, los microfluídicos digitales siguen siendo informes esotéricos y revisados por pares basados en microfluídicos digitales que carecen^{de 2.} Aquí proponemos utilizar la microfluídica digital como herramienta educativa por varias razones. En primer lugar, la microfluidics digital es muy distinta del paradigma basado en microcanal porque se basa en la manipulación de las gotas y el uso de las gotas como microvelas discretas. En segundo lugar, las gotas se manipulan en plataformas de matriz de electrodos relativamente genéricas para que los microfluídicos digitales puedan combinarse íntimamente con microelectrónica. Los usuarios pueden aprovechar un conjunto extendido de componentes electrónicos, ahora altamente accesibles para aplicaciones do-it-yourself para interactuar electrónicamente con gotas. Por lo tanto, argumentamos que los microfluídicos digitales pueden permitir a los estudiantes experimentar estos aspectos únicos y ser de mente abierta no demasiado para apegarse a microfluídicos de bajo número reynold basados en microcanal¹.

Brevemente, el campo de los microfluídicos digitales se basa en gran medida en los fenómenos de electrowetting, que fue descrito por primera vez por Gabriel Lippmann^5,6. Los últimos acontecimientos fueron iniciados por Berge a principios de la década de 1990^7. Su contribución clave es la idea de introducir un aislador delgado para separar el líquido conductor de los electrodos metálicos para eliminar el problema de la electrólisis. Esta idea ha sido denominada electrowetting en dieléctrico (EWOD). Posteriormente, la microfluídica digital fue popularizada por varios investigadores pioneros^8,9. Ahora se ha probado una lista completa de aplicaciones, por ejemplo, en diagnóstico clínico, química y biología, en microfluídica digital^10,11,12 y, por lo tanto, hay muchos ejemplos disponibles para un entorno educativo. En particular, a lo largo de la línea de microfluídicos digitales de bajo costo, do-it-yourself, Abdelgawad y Wheeler han reportado previamente prototipado rápido y de bajo costo de microfluidics digitales^13,14. Fobel et al., también ha informado DropBot como un sistema de control microfluídico digital de código abierto¹⁵. Yafia et al., también informó de un microfluídico digital portátil basado en piezas impresas en 3D y el teléfono más pequeño^16. Alistar y Gaudenz también han desarrollado la plataforma OpenDrop alimentada por batería, que se basa en la matriz de transistores de efecto de campo y la accionación de CC^17.

Aquí, presentamos un kit educativo de microfluídicos digitales basado en placa de circuito impreso de origen comercial (PCB) que permite al usuario ensamblar y obtener experiencia práctica con microfluídicos digitales(Figura 1). Fee-for-service para crear PCB a partir de archivos de diseño digital está ampliamente disponible, y por lo tanto creemos que es una solución viable de bajo costo para la educación siempre que los archivos de diseño digital se puedan compartir. La elección meticulosa de los componentes y el diseño del sistema se hace para simplificar el proceso de montaje y hacer una interfaz con la intuición del usuario. Por lo tanto, se utiliza una configuración de una placa en lugar de una configuración de dos placas para evitar la necesidad de una placa superior. Tanto los componentes como los productos químicos de prueba deben estar fácilmente disponibles. Por ejemplo, la envoltura de alimentos del supermercado se utiliza como aislante en nuestro kit.

Para demostrar la viabilidad de nuestro kit, sugerimos un experimento químico específico basado en la quimioluminiscencia del luminol y proporcionamos el protocolo. La esperanza es que la observación visual de la quimioluminiscencia pueda entusiasmar y excitar a los estudiantes. El luminol es un químico que exhibe un resplandor azul cuando se mezcla con un agente oxidante como H₂O₂ y se utiliza típicamente en los forenses para detectar sangre^18. En nuestro entorno de laboratorio, el ferricianuro de potasio sirve como catalizador. El luminol reacciona con el ión de hidróxido y forma un dianion. El dianion posteriormente reacciona con oxígeno del peróxido de hidrógeno para formar ácido 5-aminofálico con electrones en un estado excitado, y la relajación de los electrones desde el estado excitado hasta el estado del suelo resulta en fotones visibles como una explosión de luz azul.

También informamos de un experimento de imágenes fluorescentes con un teléfono inteligente para demostrar la integración de un diodo emisor de luz (LED) como fuente de luz de excitación. Por último, la evaporación de gotas es un problema en los microfluídicos, pero rara vez se está abordando. (A 1 μL de gota de agua se pierde dentro de 1 h de un sustrato abierto³.) Utilizamos un atomizador basado en un transductor piezozo de alta frecuencia para convertir el agua en niebla fina. Esto crea un ambiente humidificado para evitar la evaporación de gotas y demuestra la actuación de gotas a largo plazo (~1 h).

Figura 1: Esquemas de configuración EWOD. ( a ) Se utilizaunmicrocontrolador para proporcionar una secuencia de control al electrodo EWOD. Además, la humedad está controlada. b) Esquemas de diseño PCB. Los electrodos, el LED para imágenes fluorescentes, resistencias y transistores de efecto de campo (FET) están etiquetados. También se muestra barra de escala de 1 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Vista superior del kit. La placa de microcontrolador, la placa de alimentación de alta tensión, el PCB EWOD, el sensor de humedad y el atomizador están etiquetados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocolo

1) Montaje del kit de microfluídicos digitales

1. Soldar las resistencias de montaje superficial, transistores y diodos emisores de luz en la placa PCB según los esquemas de la Figura 1b.
2. Conecte la salida de la placa de alimentación de alta tensión a la placa PCB con componentes soldados(Figura 2 y Figura Suplementaria 1).
3. Conecte la batería a la placa de refuerzo de voltaje para aumentar la tensión de 6 V a 12 V(Figura 2 y Figura Suplementaria 1).
4. Conecte la placa de alimentación de alta tensión a la placa de refuerzo de voltaje para aumentar la tensión de 12 V a ~230 V(Figura 2 y Figura Suplementaria 1).
5. Conecte el sensor de humedad a la placa de microcontrolador. Conecte el atomizador piezoeléctico ultrasónico y la placa conductora del atomizador a la placa de microcontrolador(Figura 2 y Figura Suplementaria 1).
6. Coloque todo el conjunto en la carcasa acrílica de las dimensiones 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
7. Encienda el microcontrolador con el código(Código Suplementario)y utilice el multímetro digital para medir la tensión del electrodo EWOD para asegurarse de que el voltaje de salida es ~230 V. Ajuste la resistencia variable de la placa de alimentación de alto voltaje de modo que el voltaje de salida sea ~230 V (Figura suplementaria 2).

2) Preparación del aislante en la matriz de electrodos

1. Use guantes de nitrilo limpios. Utilice un micropipette para aplicar ~10 μL de aceite de silicona de 5 cSt en el área del electrodo y utilice un dedo para extender el aceite de silicona uniformemente en el área del electrodo. Tenga en cuenta que el aceite de silicona sirve como relleno entre electrodo y aislante de envoltura de alimentos y para evitar cualquier airgap.
2. Corte un trozo de envoltura de alimentos con dimensiones de aproximadamente 2,5 cm x 4 cm y colóquelo encima del electrodo. Utilice el micropipette para aplicar ~10 μL de aceite de silicona de 5 cSt en el área del electrodo y utilice un dedo para extender el aceite de silicona uniformemente. Tenga en cuenta que el aceite de silicona sirve como una capa hidrofóbica en la parte superior del aislante.

3) Experimento de quimioluminiscencia basado en luminol

1. Mezcle 0,25 g de luminal y 1,6 g de NaOH en 25 ml de agua desionizada en un vaso de precipitados con un agitador de vidrio para obtener una solución.
2. Mezcle 20 ml de la solución del paso anterior con 20 ml de peróxido de hidrógeno al 3%.
3. Utilice un micropipette para colocar 2-5 μL de la solución de luminol del paso anterior en el electrodo objetivo.
4. Utilice un micropipette para colocar 10 μL de 0,1% de ferricianuro de potasio en el electrodo. Tenga en cuenta que esta es la gota que se va a mover para electrowetting.
5. Encienda el microcontrolador para mover la gota de 10 μL de ferricianuro de potasio para fusionarse con el luminol.

4) Experimento de imágenes fluorescentes

1. Corte un trozo de cinta semitransparente con dimensiones de ~1 cm x 1 cm. Coloque la cinta semitransparente entre el diodo emisor de luz de excitación y los electrodos EWOD.
2. Conecte el filtro de vidrio a color de emisión en la cámara del teléfono inteligente con cinta adhesiva.
3. Mezclar 2,5 mg de isoticianato de fluoresceína en solución de etanol acuoso (3% w/w).
4. Pipeta ~10 μL de la solución del paso anterior en uno de los electrodos.
5. Encienda el microcontrolador.
6. Utilice el teléfono inteligente para grabar un vídeo de accionamiento de gotas.

5) Experimento de accionamiento de gotas a largo plazo con atomizador ultrasónico

1. Coloque 1 ml de agua en el atomizador ultrasónico. Tenga en cuenta que el código está escrito para usar un algoritmo de retroalimentación de umbral para mantener un nivel de humedad superior al 90%.
2. Coloque una gota de 10 μL con un micropipette. Encienda el microcontrolador y cierre inmediatamente la tapa de la carcasa.
3. Espera ~1 h. Compruebe visualmente la actuación de las gotas.

Resultados

El accionamiento de las gotas se graba con un teléfono inteligente. Los resultados representativos de la quimioluminiscencia y las imágenes fluorescentes se muestran en la Figura 3 y la Figura 4. Para el experimento de quimioluminiscencia, la gota de 10 μL de ferricyanida se acciona para mover y mezclar con gota pre-depositada de 2 μL en el electrodo objetivo como se muestra en la Figura 3. El pe...

Discusión

El procedimiento descrito aquí permite al lector ensamblar y probar un sistema EWOD en funcionamiento para el accionamiento de gotas y obtener experiencia práctica con microfluídicos. Evitamos intencionalmente componentes costosos y muestras químicas. Actualmente, se puede construir un kit por ~$130 con el componente más caro es el vidrio óptico de color para imágenes fluorescentes y microcontrolador excluyendo la carcasa acrílica personalizada(Tabla complementaria 1). Para tal costo, también se...

Materiales

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