Un kit versatile basato sull'attuazione digitale delle goccioline microfluidici per l'educazione scientifica

Riepilogo

Descriviamo un kit educativo che consente agli utenti di eseguire più esperimenti e acquisire un'esperienza pratica sulla microfluidica digitale.

Abstract

Questo documento descrive un kit educativo basato sulla microfluidica digitale. Un protocollo per l'esperimento di chemiluminescenza basato su luminol è riportato come esempio specifico. Ha anche capacità di imaging fluorescente e involucro umidificato chiuso basato su un atomizzatore ad ultrasuoni per prevenire l'evaporazione. Il kit può essere assemblato in un breve periodo di tempo e con un minimo allenamento in elettronica e saldatura. Il kit consente sia agli studenti universitari/laureati che agli appassionati di acquisire un'esperienza pratica in microfluidica in modo intuitivo ed essere addestrati ad acquisire familiarità con la microfluidica digitale.

Introduzione

La microfluidica è una fisica, chimica, biologia e ingegneria altamente interdisciplinare per la manipolazione di piccoli volumi di liquidi che vanno dal femtolitro ai microlitri¹. La microfluidica è anche un campo molto ampio e attivo; una ricerca web of science restituisce quasi 20.000 pubblicazioni, eppure non c'è letteratura e documenti di revisione sufficienti sull'uso delle microfluidica come^{strumento educativo 2}. Ci sono due articoli di recensioni perspicaci, anche se obsoleti, di Legge e Fintschenko^3,4. Legge introduce gli educatori all'idea di un laboratorio su un chip³. Fintschenko ha sottolineato il ruolo del laboratorio di insegnamento della microfluidica nell'educazione alla matematica dell'ingegneria tecnologica scientifica (STEM) e ha semplificato le filosofie in "insegnare microfluidici" e "usare la microfluidica"⁴. Una recensione più recente di Rackus, Ridel-Kruse e Pamme nel 2019 sottolinea che oltre ad essere di natura interdisciplinare, la microfluidica è anche un argomento molto pratico². L'attività pratica relativa alla pratica della microfluidica presta gli studenti all'apprendimento basato sull'indagine e lo rende uno strumento coinvolgente per la comunicazione scientifica e la sensibilizzazione. La microfluidica offre infatti un grande potenziale per l'educazione scientifica sia in contesti formali che informali ed è anche uno "strumento" ideale per enthus ed educare il grande pubblico sull'aspetto interdisciplinare delle scienze moderne.

Esempi come dispositivi a microcanale a basso costo, microfluidica cartacea e microfluidica digitale sono strumenti ideali per scopi educativi. Tra queste piattaforme, le microfluidica digitale rimangono relazioni esoteriche e peer-reviewed basate su microfluidica digitale mancano². Qui proponiamo di utilizzare la microfluidica digitale come strumento educativo per diversi motivi. In primo luogo, la microfluidica digitale è molto distinta dal paradigma basato su microcanali perché si basa sulla manipolazione delle goccioline e sull'uso delle goccioline come microvessel discrete. In secondo luogo, le goccioline sono manipolate su piattaforme di array di elettrodi relativamente generiche in modo che le microfluidica digitale possano essere intimamente accoppiate con la microelettronica. Gli utenti possono sfruttare un set esteso di componenti elettronici, ora altamente accessibili per le applicazioni fai-da-te per interfacciarsi elettronicamente con goccioline. Pertanto, sosteniamo che la microfluidica digitale può aiutare gli studenti a sperimentare questi aspetti unici ed essere aperti a non attenersi esentemente alla microfluidica a basso numero Reynold basata su microcanali¹.

In breve, il campo della microfluidica digitale si basa in gran parte sui fenomeni di elettrowetting, descritti per la prima volta da Gabriel Lippmann^5,6. I recenti sviluppi sono stati avviati da Berge all'inizio degli anni '90^7. Il suo contributo chiave è l'idea di introdurre un isolante sottile per separare il liquido conduttivo dagli elettrodi metallici per eliminare il problema dell'elettrolisi. Questa idea è stata definita elettrowetting su dielettrico (EWOD). Successivamente, la microfluidica digitale è stata reso popolare da diversi ricercatori pionieri^8,9. Ora è stato dimostrato un elenco completo di applicazioni, ad esempio, in diagnostica clinica, chimica e biologia, sulla microfluidica^{digitale 10,11,12} e, quindi, sono disponibili molti esempi per un ambiente educativo. In particolare, lungo la linea delle microfluidica digitali fai-da-te a basso costo, Abdelgawad e Wheeler hanno precedentemente riportato una prototipazione rapida e a basso costo delle microfluidica^{digitale 13,14}. Fobel et al., ha anche segnalato DropBot come un sistema di controllo microfluidico digitale open source¹⁵. Yafia et al., ha anche segnalato una microfluidica digitale portatile basata su parti stampate in 3D e telefono più piccolo¹⁶. Alistar e Gaudenz hanno anche sviluppato la piattaforma OpenDrop alimentata a batteria, che si basa sull'array di transistor ad effetto di campo e sull'azionamento dc¹⁷.

Qui presentiamo un kit educativo di microfluidica digitale basato su circuiti stampati di provenienza commerciale (PCB) che consente all'utente di assemblare e ottenere un'esperienza pratica con la microfluidica digitale(Figura 1). La commissione per il servizio per creare PCB da file di progettazione digitale è ampiamente disponibile, e quindi pensiamo che sia una soluzione a basso costo praticabile per l'istruzione a condizione che i file di progettazione digitale possano essere condivisi. La scelta meticolosa dei componenti e la progettazione del sistema sono fatte per semplificare il processo di assemblaggio e creare un'interfaccia con l'intuitivo dell'utente. Pertanto, viene utilizzata una configurazione a una piastra invece di una configurazione a due piastre per evitare la necessità di una piastra superiore. Sia i componenti che i prodotti chimici di prova devono essere facilmente disponibili. Ad esempio, l'involucro alimentare del supermercato viene utilizzato come isolante nel nostro kit.

Per dimostrare la fattibilità del nostro kit, suggeriamo uno specifico esperimento di chimica basato sulla chemiluminescenza del luminol e forniamo il protocollo. La speranza è che l'osservazione visiva della chemiluminescenza possa entusiasmare ed eccitare gli studenti. Il luminol è una sostanza chimica che mostra un bagliore blu se miscelato con un agente ossidante come H₂O₂ ed è tipicamente usato in medicina legale per^{rilevare il sangue 18}. Nel nostro ambiente di laboratorio, il ferricianuro di potassio funge da catalizzatore. Il luminolo reagisce con lo ione idrossido e forma un dianione. Il dianione reagisce successivamente con l'ossigeno dal perossido di idrogeno per formare acido 5-amminoftalico con elettroni in uno stato eccitato, e il rilassamento degli elettroni dallo stato eccitato allo stato del suolo si traduce in fotoni visibili come un'esplosione di luce blu.

Segnaliamo anche un esperimento di imaging fluorescente con uno smartphone per dimostrare l'integrazione di un diodo emettitore di luce (LED) come fonte di luce di eccitazione. Infine, l'evaporazione delle goccioline è un problema nelle microfluidica, ma viene raramente affrontata. (Un 1 μL di goccia d'acqua viene perso entro 1 h da un substrato aperto³.) Usiamo un atomizzatore basato su un trasduttore piezo ad alta frequenza per convertire l'acqua in nebbia fine. Ciò crea un ambiente umidificato per prevenire l'evaporazione delle goccioline e dimostra l'azionamento delle goccioline a lungo termine (~1 h).

Figura 1: Schemi dell'impianto EWOD. (a) Un microcontrollore viene utilizzato per fornire una sequenza di controllo all'elettrodo EWOD. Inoltre, l'umidità è controllata. (b) Schemi del layout PCB. Elettrodi, LED per imaging fluorescente, resistore e transistor ad effetto di campo (FET) sono etichettati. Viene mostrata anche una barra di scala di 1 cm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Vista dall'alto del kit. La scheda microcontroller, la scheda di alimentazione ad alta tensione, il PCB EWOD, il sensore di umidità e l'atomizzatore sono etichettati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocollo

1) Assemblaggio del kit di microfluidica digitale

1. Saldare i resistori di montaggio superficiale, i transistor e i diodi emettitori di luce sulla scheda PCB secondo gli schemi della figura 1b.
2. Collegare l'uscita della scheda di alimentazione ad alta tensione alla scheda PCB con componenti saldati (Figura 2 e Figura complementare 1).
3. Collegare la batteria alla scheda booster di tensione per aumentare la tensione da 6 V a 12 V(Figura 2 e Figura complementare 1).
4. Collegare la scheda di alimentazione ad alta tensione alla scheda booster di tensione per aumentare la tensione da 12 V a ~230 V(Figura 2 e Figura complementare 1).
5. Collegare il sensore di umidità alla scheda del microcontrollore. Collegare l'atomizzatore piezo ultrasonico e la scheda driver dell'atomizzatore alla scheda del microcontrollore (Figura 2 e Figura complementare 1).
6. Posizionare l'intero gruppo nell'involucro acrilico di dimensioni 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
7. Accendere il microcontrollore con il codice (Codice supplementare) e utilizzare il multimetro digitale per misurare la tensione dell'elettrodo EWOD per assicurarsi che la tensione di uscita sia ~230 V. Regolare il resistore variabile della scheda di alimentazione ad alta tensione in modo che la tensione di uscita sia ~230 V (Figura complementare 2).

2) Preparazione dell'isolante sull'array di elettrodi

1. Indossare guanti in nitrile pulito. Utilizzare una micropipetta per applicare ~10 μL di olio di silicone 5 cSt sull'area dell'elettrodo e utilizzare un dito per distribuire uniformemente l'olio di silicone sull'area dell'elettrodo. Si noti che l'olio di silicone funge da riempimento tra elettrodo e isolante per involucri alimentari ed evitare qualsiasi airgap.
2. Tagliare un involucro alimentare con dimensioni di circa 2,5 cm x 4 cm e posizionarlo sopra l'elettrodo. Utilizzare la micropipetta per applicare ~10 μL di olio di silicone da 5 cSt sull'area dell'elettrodo e utilizzare un dito per distribuire uniformemente l'olio di silicone. Si noti che l'olio di silicone funge da strato idrofobico sopra l'isolante.

3) Esperimento di chemiluminescenza basato sul luminol

1. Mescolare 0,25 g di luminol e 1,6 g di NaOH in 25 mL di acqua deionizzata in un bicchiere con un agitatore di vetro per ottenere una soluzione.
2. Mescolare 20 mL della soluzione rispetto alla fase precedente con 20 mL di perossido di idrogeno al 3%.
3. Utilizzare una micropipetta per posizionare 2-5 μL della soluzione di luminol rispetto al passaggio precedente sull'elettrodo di destinazione.
4. Utilizzare una micropipetta per posizionare 10 μL dello 0,1% con ferricianuro di potassio sull'elettrodo. Si noti che questa è la goccia da spostare per l'elettrowetting.
5. Accendere il microcontrollore per spostare la goccia da 10 μL di ferricianuro di potassio per fondersi con il luminol.

4) Esperimento di imaging fluorescente

1. Tagliare un pezzo di nastro semitrasparente con dimensioni di ~ 1 cm x 1 cm. Posizionare il nastro semitrasparente tra il diodo emettitore di luce di eccitazione e gli elettrodi EWOD.
2. Collegare il filtro in vetro colore emissione sulla fotocamera dello smartphone con nastro adesivo.
3. Mescolare 2,5 mg di isotiocianato di fluoresceina in soluzione di etanolo acquoso (3% w/w).
4. Pipetta ~10 μL della soluzione dal passo precedente su uno degli elettrodi.
5. Accendere il microcontrollore.
6. Usa lo smartphone per registrare un video di azionamento delle goccioline.

5) Esperimento di azionamento a goccia a lungo termine con atomizzatore ad ultrasuoni

1. Posizionare 1 mL di acqua sull'atomizzatore ad ultrasuoni. Si noti che il codice è scritto per utilizzare un algoritmo di feedback della soglia per mantenere un livello di umidità superiore al 90%.
2. Posizionare una goccia da 10 μL con una micropipetta. Accendere il microcontrollore e chiudere immediatamente il coperchio dell'involucro.
3. Aspetta ~ 1 h. Controllare visivamente l'attuazione delle goccioline.

Risultati

L'azionamento delle goccioline viene registrato con uno smartphone. I risultati rappresentativi per la chemiluminescenza e l'imaging fluorescente sono visualizzati nella figura 3 e nella figura 4. Per l'esperimento di chemiluminescenza, la goccia di ferricianuro da 10 μL viene azionata per muoversi e mescolare con gocciolamento pre-depositato di 2 μL sull'elettrodo bersaglio, come mostrato nella figura 3

Discussione

La procedura qui descritta consente al lettore di assemblare e testare un sistema EWOD funzionante per l'azionamento delle goccioline e acquisire un'esperienza pratica con le microfluidica. Evitiamo intenzionalmente componenti costosi e campioni chimici. Attualmente, un kit può essere costruito per ~ $ 130 con il componente più costoso è il vetro a colori ottici per l'imaging fluorescente e il microcontrollore, escluso l'involucro acrilicopersonalizzato (tabella complementare 1). Per tale costo, sono ...

Materiali

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