Un kit polyvalent basé sur l’actionnement numérique de gouttelette de microfluidique pour l’éducation scientifique

Résumé

Nous décrivons un kit éducatif qui permet aux utilisateurs d’exécuter plusieurs expériences et d’acquérir une expérience pratique sur les microfluidiques numériques.

Résumé

Cet article décrit un kit éducatif basé sur les microfluidiques numériques. Un protocole pour l’expérience de chemiluminescence basée sur le luminol est rapporté comme exemple spécifique. Il a également la capacité d’imagerie fluorescente et l’enceinte humidifiée fermée basée sur un atomiseur ultrasonique pour empêcher l’évaporation. Le kit peut être assemblé dans un court laps de temps et avec une formation minimale en électronique et soudure. La trousse permet aux étudiants de premier cycle et aux cycles supérieurs et aux amateurs d’acquérir une expérience pratique en microfluidique de façon intuitive et d’être formé pour se familiariser avec la microfluidique numérique.

Introduction

La microfluidique est un domaine très interdisciplinaire peignant la physique, la chimie, la biologie et l’ingénierie pour la manipulation d’un petit volume de liquides allant du femtoliter aux microlitres¹. La microfluidique est également un domaine très vaste et actif; une recherche sur le Web of Science renvoie près de 20 000 publications et pourtant il n’y a pas suffisamment de documentation et d’articles d’examen sur l’utilisation des microfluidiques comme outil^{éducatif 2}. Il y a deux articles de revue perspicaces, quoique dépassés par Legge et Fintschenko^3,4. Legge présente aux éducateurs l’idée d’un laboratoire sur une puce³. Fintschenko a souligné le rôle du laboratoire d’enseignement des microfluidiques dans l’enseignement des mathématiques en génie technologique des sciences (STEM) et a simplifié les philosophies en « enseigner la microfluidique » et « utiliser les microfluidiques »⁴. Un examen plus récent de Rackus, Ridel-Kruse et Pamme en 2019 souligne qu’en plus d’être de nature interdisciplinaire, la microfluidique est aussi un sujet très pratique². L’activité pratique liée à la pratique de la microfluidique prête aux élèves à l’apprentissage axé sur la recherche et en fait un outil attrayant pour la communication scientifique et la sensibilisation. La microfluidique offre en effet beaucoup de potentiel pour l’enseignement des sciences dans les milieux formels et informels et est également un « outil » idéal pour enthousiasmer et éduquer le grand public sur l’aspect interdisciplinaire des sciences modernes.

Des exemples tels que les microcanaux à faible coût, les microfluidiques papier et les microfluidiques numériques sont des outils idéaux à des fins éducatives. Parmi ces plateformes, la microfluidique numérique reste ésotérique et les rapports évalués par des pairs basés sur les microfluidiques numériques font^{défaut 2}. Nous proposons ici d’utiliser la microfluidique numérique comme outil éducatif pour plusieurs raisons. Tout d’abord, la microfluidique numérique est très distincte du paradigme à base de microcanal parce qu’elle est basée sur la manipulation des gouttelettes et l’utilisation des gouttelettes comme microvéssels discrets. Deuxièmement, les gouttelettes sont manipulées sur des plateformes d’électrode-réseau relativement génériques afin que les microfluidiques numériques puissent être intimement couplés à la microélectronique. Les utilisateurs peuvent tirer parti d’un ensemble étendu de composants électroniques, désormais très accessibles aux applications de faire soi-même pour interagir électroniquement avec des gouttelettes. Par conséquent, nous soutenons que les microfluidiques numériques peuvent laisser les étudiants faire l’expérience de ces aspects uniques et être ouverts d’esprit et ne pas trop s’en tenir à microcanal à faible nombre reynold microfluidique¹.

En bref, le domaine de la microfluidique numérique est largement basé sur les phénomènes d’électrowetting, qui a d’abord été décrit par Gabriel Lippmann^5,6. Les développements récents ont été initiés par Berge au début des années 1990⁷. Sa contribution clé est l’idée d’introduire un isolant mince pour séparer le liquide conductrice des électrodes métalliques afin d’éliminer le problème de l’électrolyse. Cette idée a été appelé électrowetting sur diélectrique (EWOD). Par la suite, la microfluidique numérique a été popularisée par plusieurs chercheurs^{pionniers 8,9}. Maintenant, une liste complète des applications par exemple, dans le diagnostic clinique, la chimie et la biologie, a été prouvée sur les microfluidiques^{numériques 10,11,12} et, par conséquent, beaucoup d’exemples sont disponibles pour un cadre éducatif. En particulier, sur la ligne des microfluidiques numériques à faible coût et à faire soi-même, Abdelgawad et Wheeler ont déjà signalé un prototypage rapide et peu coûteux des microfluidiques^{numériques 13,14}. Fobel et coll., a également signalé DropBot comme un système de contrôle microfluidique numérique open source¹⁵. Yafia et coll., ont également signalé une microfluidique numérique portative basée sur des pièces imprimées 3D et un téléphone plus petit¹⁶. Alistar et Gaudenz ont également développé la plate-forme OpenDrop alimentée par batterie, qui est basée sur le tableau transistor effet de champ et dc^{actionnement 17}.

Ici, nous présentons un kit éducatif microfluidique numérique basé sur un circuit imprimé commercial (PCB) qui permet à l’utilisateur de se réunir et d’obtenir une expérience pratique avec les microfluidiques numériques (Figure 1). Fee-for-service pour créer pcb à partir de fichiers de conception numérique est largement disponible, et donc nous pensons qu’il s’agit d’une solution viable à faible coût pour l’éducation à condition que les fichiers de conception numérique peuvent être partagés. Le choix méticuleux des composants et de la conception du système est fait pour simplifier le processus d’assemblage et faire une interface avec l’intuitif de l’utilisateur. Par conséquent, une configuration d’une plaque est utilisée au lieu d’une configuration à deux plaques pour éviter la nécessité d’une plaque supérieure. Les composants et les produits chimiques d’essai doivent être facilement disponibles. Par exemple, l’emballage des aliments du supermarché est utilisé comme isolant dans notre trousse.

Pour prouver la faisabilité de notre kit, nous proposons une expérience de chimie spécifique basée sur la chimioluminescence du luminol et fournissons le protocole. L’espoir est que l’observation visuelle de la chimioluminescence puisse enthousiasmer et exciter les élèves. Luminol est un produit chimique qui montre une lueur bleue lorsqu’il est mélangé avec un agent oxydant comme H₂O_{2 et} est généralement utilisé en médecine légale pour détecter le sang¹⁸. Dans notre laboratoire, le ferricyanure de potassium sert de catalyseur. Luminol réagit avec l’ion hydroxyde et forme un dianion. Le dianion réagit plus tard avec l’oxygène du peroxyde d’hydrogène pour former l’acide 5-aminophtalic avec des électrons dans un état excité, et la relaxation des électrons de l’état excité à l’état de sol a comme conséquence des photons visibles comme éclat de lumière bleue.

Nous rapportons également une expérience d’imagerie fluorescente avec un téléphone intelligent pour démontrer l’intégration d’une diode électroluminescente (LED) comme source de lumière d’excitation. Enfin, l’évaporation des gouttelettes est un problème en microfluidique, mais elle est rarement abordée. (Une gouttelette d’eau de 1 μL est perdue à moins de 1 h à partir d’un substrat^{ouvert 3.)} Nous utilisons un atomiseur à base d’un transducteur piezo à haute fréquence pour convertir l’eau en brume fine. Ceci crée un environnement humidifié pour empêcher l’évaporation de gouttelette et démontre l’actionnement à long terme (~1 h) de gouttelette.

Figure 1: Schémas d’EWOD mis en place. (a) Un microcontrôleur est utilisé pour fournir une séquence de contrôle à l’électrode EWOD. En outre, l’humidité est contrôlée. b) Schémas de mise en page PCB. Les électrodes, la LED pour l’imagerie fluorescente, la résistance et les transistors d’effet de champ (FET) sont étiquetées. Une barre d’échelle de 1 cm est également indiquée. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2: Vue supérieure du kit. La planche de microcontrôleur, le tableau d’alimentation à haute tension, le BPC EWOD, le capteur d’humidité et l’atomiseur sont étiquetés. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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

Protocole

1) Assemblage du kit microfluidique numérique

1. Soudeur les résistances de montage de surface, transistors, et diodes électroluminescentes sur le tableau de PCB selon les schémas dans la figure 1b.
2. Connectez la sortie de la planche d’alimentation à haute tension à la carte PCB avec des composantssoudés (figure 2 et figure supplémentaire 1).
3. Connectez la batterie à la planche d’appoint de tension pour augmenter la tension de 6 V à 12 V (Figure 2 et Figure supplémentaire 1).
4. Connectez le tableau d’alimentation à haute tension au tableau d’appoint de tension pour augmenter la tension de 12 V à ~230 V (figure 2 et figure supplémentaire 1).
5. Connectez le capteur d’humidité à la carte de microcontrôleur. Connectez l’atomiseur piezo ultrasonique et le tableau de bord du conducteur de l’atomiseur à la carte de microcontrôleur(figure 2 et figure supplémentaire 1).
6. Placez l’ensemble de l’assemblage dans l’enceinte acrylique de dimensions 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
7. Allumez le microcontrôleur avec le code(Code supplémentaire)et utilisez le multimètre numérique pour mesurer la tension de l’électrode EWOD pour vous assurer que la tension de sortie est d’environ 230 V. Ajustez la résistance variable du tableau d’alimentation à haute tension de telle sorte que la tension de sortie est de ~230 V (Figure supplémentaire 2).

2) Préparation de l’isolateur sur le tableau d’électrode

1. Portez des gants de nitrile propres. Utilisez une micropipette pour appliquer ~10 μL d’huile de silicone 5 cSt sur la zone de l’électrode et utilisez un doigt pour étendre l’huile de silicone uniformément sur la zone de l’électrode. Notez que l’huile de silicone sert de remplissage entre l’électrode et l’isolant d’enveloppement de nourriture et pour éviter n’importe quelle couche d’air.
2. Couper un morceau d’enveloppement alimentaire avec des dimensions d’environ 2,5 cm x 4 cm et le placer sur l’électrode. Utilisez la micropipette pour appliquer ~10 μL d’huile de silicone 5 cSt sur la zone de l’électrode et utilisez un doigt pour répartir l’huile de silicone uniformément. Notez que l’huile de silicone sert de couche hydrophobe sur le dessus de l’isolateur.

3) Expérience de chemiluminescence basée sur le luminol

1. Mélanger 0,25 g de luminol et 1,6 g de NaOH dans 25 mL d’eau déionisée dans un bécher avec un agitateur de verre pour obtenir une solution.
2. Mélanger 20 mL de la solution de l’étape précédente avec 20 mL de peroxyde d’hydrogène à 3 %.
3. Utilisez une micropipette pour placer 2-5 μL de la solution luminol de l’étape précédente sur l’électrode cible.
4. Utilisez une micropipette pour placer 10 μL de ferricyanide de potassium w/w de 0,1 % sur l’électrode. Notez que c’est la gouttelette à déplacer pour l’électrowetting.
5. Allumez le microcontrôleur pour déplacer la gouttelette de 10 μL de ferricyanide de potassium pour fusionner avec le luminol.

4) Expérience d’imagerie fluorescente

1. Couper un morceau de ruban semi-transparent avec des dimensions d’environ 1 cm x 1 cm. Placez le ruban semi-transparent entre la diode électroluminescente excitation et les électrodes EWOD.
2. Fixez le filtre en verre couleur émission sur l’appareil photo du téléphone intelligent avec du ruban adhésif.
3. Mélanger 2,5 mg d’isothiocyanate de fluorescéine dans une solution d’éthanol aqueux (3 % w/w).
4. Pipette ~10 μL de la solution de l’étape précédente sur l’une des électrodes.
5. Allumez le microcontrôleur.
6. Utilisez le téléphone intelligent pour enregistrer une vidéo d’actionnement gouttelette.

5) Expérience à long terme d’actionnement de gouttelette avec l’atomiseur ultrasonique

1. Placer 1 mL d’eau sur l’atomiseur ultrasonique. Notez que le code est écrit pour utiliser un algorithme de rétroaction de seuil pour maintenir un taux d’humidité supérieur à 90%.
2. Déposer une gouttelette de 10 μL à l’aide d’une micropipette. Allumez le microcontrôleur et fermez immédiatement le couvercle de l’enceinte.
3. Attendez ~1 h. Vérifiez visuellement l’actionnement des gouttelettes.

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

Résultats

L’actionnement gouttelette est enregistré avec un téléphone intelligent. Les résultats représentatifs de la chimioluminescence et de l’imagerie fluorescente sont affichés à la figure 3 et à la figure 4. Pour l’expérience de chimioluminescence, la gouttelette de ferricyanure de 10 μL est actionnée pour se déplacer et se mélanger avec une gouttelette pré-déposée de 2 μL sur l’électrode cible, comme le mont...

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

Discussion

La procédure décrite ici permet au lecteur d’assembler et de tester un système EWOD de travail pour l’actionnement des gouttelettes et d’acquérir une expérience pratique avec les microfluidiques. Nous évitons intentionnellement les composants coûteux et les échantillons chimiques. Actuellement, un kit peut être construit pour ~$130 avec le composant le plus cher étant le verre optique de couleur pour l’imagerie fluorescente et le microcontrôleur excluant l’enceinte acrylique faite sur commande

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

matériels

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