ערכה רב-תכליתית המבוססת על מפעיל טיפת מיקרופלואידיקה דיגיטלית לחינוך מדעי

Summary

אנו מתארים ערכה חינוכית המאפשרת למשתמשים לבצע ניסויים מרובים ולצבור ניסיון מעשי במיקרופלואידיקה דיגיטלית.

Abstract

מאמר זה מתאר ערכה חינוכית המבוססת על מיקרופלואידיקה דיגיטלית. פרוטוקול עבור ניסוי chemiluminescence מבוסס לומינול מדווח כדוגמה ספציפית. יש לו גם יכולת הדמיה פלואורסצנטית ומארז לח סגור המבוסס על אטומיזר קולי למניעת אידוי. ניתן להרכיב את הערכה בתוך פרק זמן קצר ועם הכשרה מינימלית באלקטרוניקה והלחמה. הערכה מאפשרת הן לסטודנטים לתארים מתקדמים והן לחובבים לקבל ניסיון מעשי במיקרופלואידיקה באופן אינטואיטיבי ולהיות מאומנים לרכוש היכרות עם מיקרופלואידיקה דיגיטלית.

Introduction

מיקרופלואידיקה (Microfluidics) הוא תחום בינתחומי ביותר הסורק פיזיקה, כימיה, ביולוגיה והנדסה לצורך מניפולציה של נפח קטן של נוזלים, החל מפטוליטר ועד^{מיקרוליטרים 1}. מיקרופלואידיקה היא גם תחום רחב ופעיל מאוד; חיפוש באינטרנט של המדע מחזיר כמעט 20,000 פרסומים ובכל זאת אין מספיק ספרות וסקירה מאמרים על השימוש microfluidics ככלי חינוכי². ישנם שני מאמרי סקירה בעלי תובנה, אם כי מיושנים של לגה ופינטשנקו^3,4. לג מציגה למחנכים את הרעיון של מעבדה על שבב³. Fintschenko הצביע על התפקיד של מיקרופלואידיקה הוראת מעבדה בחינוך מתמטיקה הנדסת טכנולוגיה מדעית (STEM) ופישט את הפילוסופיות לתוך "ללמד microfluidics" ו "להשתמש microfluidics"⁴. סקירה עדכנית יותר של רקוס, רידל-קרוסה ופאם בשנת 2019 מציינת כי בנוסף להיותם בינתחומיים בטבע, מיקרופלואידיקה היא גם נושא מעשי מאוד². הפעילות הידיים הקשורות לפרקטיקה של מיקרופלואידיקה מעניקה לתלמידים למידה מבוססת חקירה והופכת אותה לכלי מרתק לתקשורת מדעית וסיוע. מיקרופלואידיקה אכן מציעה פוטנציאל רב לחינוך מדעי הן במסגרות פורמליות והן במסגרות לא פורמליות והיא גם "כלי" אידיאלי להתלהב ולחנך את הציבור הרחב על ההיבט הבינתחומי של המדעים המודרניים.

דוגמאות כגון התקני מיקרו-ערוצים בעלות נמוכה, מיקרופלואידיקה של נייר ומיקרופלואידיקה דיגיטלית הם כלים אידיאליים למטרות חינוכיות. בין פלטפורמות אלה, מיקרופלואידיקה דיגיטלית נשאר דוחות אזוטריים ביקורת עמיתים המבוססים על microfluidics דיגיטלי חסרים². כאן אנו מציעים להשתמש microfluidics דיגיטלי ככלי חינוכי מכמה סיבות. ראשית, מיקרופלואידיקה דיגיטלית נבדלת מאוד מפרדיגמה מבוססת מיקרו-ערוצים מכיוון שהיא מבוססת על מניפולציה של הטיפות ושימוש בטיפות כמיקרו-וסלים נפרדים. שנית, טיפות מתומרנות בפלטפורמות גנריות יחסית של מערך אלקטרודות, כך שניתן ל בשילוב אינטימי של מיקרופלואידיקה דיגיטלית עם מיקרואלקטרוניקה. משתמשים יכולים למנף על קבוצה מורחבת של רכיבים אלקטרוניים, עכשיו נגיש מאוד עבור יישומים לעשות זאת בעצמך ממשק אלקטרוני עם טיפות. לפיכך, אנו טוענים כי microfluidics דיגיטלי יכול לאפשר לתלמידים לחוות היבטים ייחודיים אלה ולהיות עם ראש פתוח לא יתר על המידה לדבוק microchannel מבוסס נמוך Reynold מספר microfluidics¹.

בקצרה, תחום המיקרופלואידיקה הדיגיטלית מבוסס במידה רבה על תופעות האלקטרו-וטינג, שתוארו לראשונה על ידי גבריאל ליפמן^5,6. ההתפתחויות האחרונות היו ביוזמת ברג בתחילת שנות התשעים⁷. תרומתו העיקרית היא הרעיון של החדרת מבודד דק כדי להפריד את הנוזל המוליכה מאלקטרודות מתכתיות כדי לחסל את הבעיה של אלקטרוליזה. רעיון זה נקרא אלקטרווטינג על דיאלקטרי (EWOD). לאחר מכן, microfluidics דיגיטלי היה פופולרי על ידי מספר חוקרים חלוציים^8,9. עכשיו רשימה מקיפה של יישומים למשל, באבחון קליני, כימיה וביולוגיה, הוכח על microfluidics דיגיטלי^10,11,12 ולכן, שפע של דוגמאות זמינים עבור הגדרה חינוכית. בפרט, לאורך הקו של עלות נמוכה, לעשות זאת בעצמך מיקרופלואידיקה דיגיטלית, Abdelgawad ו וילר דיווחו בעבר בעלות נמוכה, אב טיפוס מהיר של microfluidics דיגיטלי^13,14. Fobel et al., דיווחה גם DropBot כמערכת בקרה מיקרופלואידית דיגיטלית קוד פתוח¹⁵. Yafia et al., דיווחה גם על מיקרופלואידיקה דיגיטלית ניידת המבוססת על חלקים מודפסים בתלת מימד וטלפון קטן יותר¹⁶. Alistar ו Gaudenz פיתחו גם את הסוללה מופעל OpenDrop פלטפורמה, אשר מבוסס על מערך טרנזיסטור אפקט השדה והפעלת DC¹⁷.

כאן, אנו מציגים ערכת חינוך מיקרופלואידית דיגיטלית המבוססת על לוח מעגלים מודפסים (PCB) ממקור מסחרי המאפשר למשתמש להרכיב ולקבל ניסיון מעשי עם מיקרופלואידיקה דיגיטלית (איור 1). תשלום עבור שירות כדי ליצור PCB מקבצי עיצוב דיגיטלי זמין באופן נרחב, ולכן אנו חושבים שזה פתרון בעלות נמוכה קיימא לחינוך בתנאי קבצי עיצוב דיגיטלי ניתן לשתף. בחירה קפדנית של רכיבים ועיצוב מערכת נעשית כדי לפשט את תהליך ההרכבה ולהפוך ממשק עם אינטואיטיבי של המשתמש. לפיכך, תצורה של לוח אחד משמשת במקום תצורה של שני לוחות כדי למנוע את הצורך בלוח עליון. הן הרכיבים והן כימיקלי הבדיקה צריכים להיות זמינים בקלות. לדוגמה, עטיפת מזון מהסופרמרקט משמשת כמבודד בערכה שלנו.

כדי להוכיח היתכנות של הערכה שלנו, אנו מציעים ניסוי כימיה ספציפי המבוסס על chemiluminescence של luminol ולספק את הפרוטוקול. התקווה היא כי התבוננות חזותית של chemiluminescence יכול להלהיב ולרגש את התלמידים. Luminol הוא כימיקל המציג זוהר כחול כאשר מעורבב עם סוכן חמצון כגון H₂O₂ והוא משמש בדרך כלל זיהוי פלילי כדי לזהות^{דם 18}. בהגדרת המעבדה שלנו, אשלגן ברזל משמש כזרז. לומינול מגיב עם יון הידרוקסיד ויוצר דיאן. הדיאניון מגיב לאחר מכן עם חמצן ממי חמצן ליצירת חומצה 5 אמינופתלית עם אלקטרונים במצב נרגש, והרפיה של אלקטרונים מהמצב הנרגש למצב הקרקע גורמת לפוטונים הנראים כפרץ של אור כחול.

אנו מדווחים גם על ניסוי הדמיה פלואורסצנטית עם טלפון חכם כדי להדגים את השילוב של דיודה פולטת אור (LED) כמקור אור עירור. לבסוף, אידוי טיפות הוא בעיה microfluidics אבל הוא רק לעתים רחוקות מטופל. (1 μL של טיפת מים הולך לאיבוד בתוך 1 שעה ממצע פתוח³.) אנו משתמשים באטומיזר המבוסס על מתמר פיזו בתדר גבוה כדי להמיר מים לערפל דק. זה יוצר סביבה לחה כדי למנוע אידוי טיפה ומדגים לטווח ארוך (~ 1 h) הטיפה הפעלה.

איור 1: שרטוטים של הגדרת EWOD משמשים למיקרו-בקר כדי לספק רצף בקרה לאלקטרודה של EWOD. כמו כן, הלחות נשלטת. (ב)שרטוטים של פריסת PCB. אלקטרודות, LED להדמיה פלואורסצנטית, נגד ואפקט שדה טרנזיסטורים (FET) מסומנים. סרגל קנה מידה של 1 ס"מ מוצג גם. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תצוגה עליונה של הערכה. לוח מיקרו-בקרים, לוח אספקת מתח גבוה, PCB EWOD, חיישן לחות ואטומיזר מסומנים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

1) הרכבת ערכת המיקרופלואידיקה הדיגיטלית

1. הלחמה נגדי הרכבה על פני השטח, טרנזיסטורים ודיודות פולטות אור על לוח PCB על פי השרטוטים באיור 1b.
2. חבר את התפוקה של לוח אספקת החשמל במתח גבוה ללוח ה- PCB עם רכיבים הלחמה (איור 2 ואיור משלים 1).
3. חבר את הסוללה ללוח מאיץ המתח כדי להגביר את המתח מ- 6 V ל- 12 V (איור 2 ואיור משלים 1).
4. חבר את לוח אספקת המתח הגבוה ללוח מאיץ המתח כדי להגביר את המתח מ- 12 V ל- ~ 230 V (איור 2 ואיור משלים 1).
5. חבר את חיישן הלחות ללוח המיקרו-בקרים. חבר את אטומיזר הפיזו הקולי ולוח הנהגים של האטומיזר ללוח המיקרו-בקרים(איור 2 ואיור משלים 1).
6. מניחים את כל ההרכבה לתוך המארז האקרילי של ממדים 23 ס"מ x 20.5 ס"מ x 6 ס"מ.
7. הפעל את המיקרו-בקר עם הקוד(קוד משלים)והשתמש בריבוי המטרים הדיגיטלי כדי למדוד את המתח של אלקטרודת EWOD כדי לוודא שמתח היציאה הוא ~ 230 V. התאם את הנגד המשתנה של לוח אספקת המתח הגבוה כך שמתח היציאה הוא ~ 230 V(איור משלים 2).

2) הכנת מבודד על מערך האלקטרודה

1. תלבש כפפות ניטריל נקיות. השתמש micropipette להחיל ~ 10 μL של 5 cSt שמן סיליקון על אזור האלקטרודה ולהשתמש באצבע כדי להפיץ את שמן הסיליקון באופן שווה על אזור האלקטרודה. שימו לב כי שמן הסיליקון משמש כמילוי בין אלקטרודה ומבודד לעטוף מזון כדי למנוע כל airgap.
2. חותכים חתיכת לעטוף מזון עם מידות של כ 2.5 ס"מ x 4 ס"מ ומניחים אותו על גבי האלקטרודה. השתמש micropipette להחיל ~ 10 μL של 5 שמן סיליקון cSt על אזור האלקטרודה ולהשתמש באצבע כדי להפיץ את שמן הסיליקון באופן שווה. שים לב כי שמן הסיליקון משמש שכבה הידרופובית על גבי המבודד.

3) ניסוי צ'מילומינציה המבוסס על לומינול

1. מערבבים 0.25 גרם של לומינול ו 1.6 גרם של NaOH ב 25 מל של מים deionized ב עם מערבל זכוכית כדי לקבל פתרון.
2. מערבבים 20 מ"ל של הפתרון מהשלב הקודם עם 20 מ"ל של 3% מי חמצן.
3. השתמש micropipette למקם 2-5 μL של פתרון luminol מהשלב הקודם על אלקטרודה היעד.
4. השתמש micropipette למקם 10 μL של 0.1% w / w אשלגן ברזל על האלקטרודה. שים לב כי זוהי טיפה להיות מועבר עבור electrowetting.
5. הפעל את המיקרו-בקר כדי להזיז את טיפת 10 μL של אשלגן פריציאניד להתמזג עם luminol.

4) ניסוי הדמיה פלואורסצנטית

1. חותכים חתיכת סרט שקוף למחצה עם מידות של ~ 1 ס"מ x 1 ס"מ. הנח את הסרט השקוף למחצה בין הדיודה הפולטת אור עירור ואלקטרודות EWOD.
2. חבר את מסנן הזכוכית בצבע פליטה במצלמה של הטלפון החכם עם קלטת.
3. מערבבים 2.5 מ"ג של פלואורסצנטין isothiocyanate בתמיסת אתנול מימית (3% w /w).
4. פיפטה ~ 10 μL של הפתרון מהשלב הקודם על אחת האלקטרודות.
5. תדליק את המיקרו-בקר.
6. השתמש בטלפון החכם כדי להקליט וידאו של מפעיל droplet.

5) ניסוי מפעיל טיפה לטווח ארוך עם אטומיזר קולי

1. מניחים 1 מ"ל של מים על atomizer קולי. שים לב שהקוד נכתב כדי להשתמש באלגוריתם משוב סף כדי לשמור על רמת לחות מעל 90%.
2. מניחים טיפה 10 μL עם מיקרופיפט. הפעל את המיקרו-בקר וסגור מיד את מכסה המארז.
3. המתן ~ 1 שעה. בדוק באופן חזותי את ההפעלה של טיפה.

תוצאות

מפעילות הטיפה נרשמת באמצעות טלפון חכם. באיור 3 ובאיור 4מוצגות תוצאות מייצגות להדמיה כימית ופלואורסצנטית . לניסוי המלילומינציה, הטיפה של 10 μL ferricyanide מופעלת כדי לנוע ולערבב עם טיפת μL שהופקדה מראש 2 μL על אלקטרודה היעד כפי שמוצג באי...

Discussion

ההליך המתואר כאן מאפשר לקורא להרכיב ולבדוק מערכת EWOD עובדת להפעלת טיפות ולצבור ניסיון מעשי עם מיקרופלואידיקה. אנו נמנעים במכוון מרכיבים יקרים ודגימות כימיות. נכון לעכשיו, ערכה אחת יכולה להיבנות עבור ~ $ 130 עם הרכיב היקר ביותר להיות זכוכית צבע אופטי עבור הדמיה פלואורסצנטית מיקרו בקרוילר למע?...

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