科学教育のためのデジタルマイクロ流体ドロップレット作動に基づく多目的なキット

要約

デジタルマイクロ流体に関する複数の実験を行い、実践的な経験を得ることができる教育キットを記述します。

要約

本論文では、デジタルマイクロ流体に基づく教育キットについて述べている。ルミノール系化学発光実験のプロトコルが具体的な例として報告される。また、蒸発を防ぐために超音波アトマイザーに基づいて、蛍光イメージング機能と閉じた加湿エンクロージャを備えています。キットは、短時間で、電子機器やはんだ付けの最小限のトレーニングで組み立てることができます。このキットは、学部生/大学院生と愛好家の両方が直感的な方法でマイクロ流体の実践的な経験を得ることができ、デジタルマイクロ流体に慣れるための訓練を受けます。

概要

マイクロ流体学は、フェムトリットルからマイクロリットルに至るまでの液体の少量の操作のための非常に学際的なフィールドコーミング物理学、化学、生物学、および工学である^。マイクロ流体はまた非常に広く、活発な分野である;科学のウェブ検索は、ほぼ20,000の出版物を返しますが、教育ツールとしてマイクロ流体の使用に関する不十分な文献とレビュー論文があります².レッジとフィンチェンコ^3、4による時代遅れのレビュー記事は、2つの洞察力がある^が、.Legge はチップ³上のラボのアイデアを教育者に紹介します。フィンチェンコは、科学技術工学数学(STEM)教育におけるマイクロ流体教育ラボの役割を指摘し、哲学を「マイクロ流体を教える」と「マイクロ流体を使用する^」4に簡素化した。2019年のラッカス、Ridel-Kruse、Pammeによる最近のレビューは、本質的に学際的であることに加えて、マイクロ流体も非常に実践的な主題²であることを指摘しています。マイクロ流体工学の実践に関連する実践的な活動は、学生に問い合わせベースの学習を提供し、科学のコミュニケーションとアウトリーチのための魅力的なツールになります。マイクロ流体学は、確かに正式な設定と非公式の両方の設定で科学教育のための多くの可能性を提供し、また、現代科学の学際的な側面について一般の人々を熱狂させ、教育するための理想的な「ツール」です。

低コストのマイクロチャネルデバイス、紙マイクロ流体、デジタルマイクロ流体などの例は、教育目的のための理想的なツールです。これらのプラットフォームの中で、デジタルマイクロ流体は難解なままであり、デジタルマイクロ流体に基づく査読されたレポートは²を欠いている。ここでは、いくつかの理由から、教育ツールとしてデジタルマイクロ流体を使用することを提案します。第1に、デジタルマイクロ流体は、液滴の操作と液滴の個別マイクロ血管としての使用法に基づいているため、マイクロチャネルベースのパラダイムとは非常に異なります。第二に、液滴は比較的一般的な電極アレイプラットフォーム上で操作されるため、デジタルマイクロ流体はマイクロエレクトロニクスと密接に結合することができます。ユーザーは電子部品の拡張セットを活用することができ、今では日曜大工アプリケーションが液滴と電子的にインターフェースするための非常にアクセスしやすくなっています。したがって、我々は、デジタルマイクロ流体は、学生がこれらのユニークな側面を体験し、マイクロチャネルベースの低レイノルズ数マイクロ流体¹に固執するために過度にオープンマインドではないことを主張しています。

簡単に言えば、デジタルマイクロ流体の分野は、主に、ガブリエル・リップマン^5、6によって最初に記述された電気湿式現象に基づいています。最近の開発は、1990年代初頭にベルゲによって開始されました⁷.彼の主な貢献は、電気分解の問題を排除するために、金属電極から導電性液体を分離するために薄い絶縁体を導入するという考え方です。この考え方は、誘電体(EWOD)での電気湿潤と呼ばれる。その後、デジタルマイクロ流体は、いくつかの先駆的な研究者^{によって普及しました 8,9}.臨床診断、化学、生物学などのアプリケーションの包括的なリストは、デジタルマイクロ流体^10、11、12で証明されており、したがって、教育環境のために多くの例が利用可能です。特に、低コストのラインに沿って、日曜大工デジタルマイクロ流体、アブデルガワドとウィーラーは、以前にデジタルマイクロ流体^13、14の低コスト、迅速な試作を報告しています。Fobelら, また、オープンソースのデジタルマイクロ流体制御システムとしてDropBotを報告しています¹⁵.Yafiaらも、3Dプリント部品と小型電話¹⁶に基づくポータブルデジタルマイクロ流体を報告した。アリスターとガウデンツはまた、フィールド効果トランジスタアレイとDCアクチュレーション¹⁷に基づいているバッテリー駆動OpenDropプラットフォームを開発しました。

ここでは、デジタルマイクロ流体を組み立て、デジタルマイクロ流体を体験できる、市販のプリント基板(PCB)をベースにしたデジタルマイクロ流体教育キットを紹介します(図1)。デジタル設計ファイルからPCBを作成するためのサービス料は広く利用可能であり、したがって、デジタル設計ファイルを共有できる教育のための実行可能な低コストのソリューションであると考えています。組み立てプロセスを簡素化し、ユーザーの直感的なインターフェイスを作るために、コンポーネントとシステム設計の細心の注意を払って選択します。したがって、トッププレートの必要性を避けるために、2プレート構成の代わりに1プレート構成が使用されます。コンポーネントと試験化学物質の両方を簡単に入手できる必要があります。例えば、スーパーからのフードラップは、私たちのキットの絶縁体として使用されています。

当社のキットの実現可能性を証明するために、ルミノールの化学発光に基づく特定の化学実験を提案し、プロトコルを提供します。希望は、化学発光の視覚的観察が学生を熱狂させ、興奮させることができるということです。ルミノールは_、H2O2などの酸化剤と混合すると青色の輝きを示す化学物質であり、通常、血液¹⁸を検出するために法医学で使用される。当研究室では、フェリシアン化カリウムが触媒として機能します。ルミノールは水酸化物イオンと反応し、ダイアニオンを形成する。ジアニオンは、その後、過酸化水素からの酸素と反応して、励起状態の電子と5アミノフタル酸を形成し、励起状態から地盤状態への電子の緩和は、青色光のバーストとして見える光子をもたらす。

また、光発光ダイオード(LED)を励起光源として統合した蛍光イメージング実験をスマートフォンで報告しています。最後に、液滴蒸発はマイクロ流体では問題であるが、めったに対処されていない。(1 μLの水滴は開いた基板から1時間以内に失われます³.高周波ピエゾトランスデューサをベースにしたアトマイザーを使用して、水を微細なミストに変換します。これは、液滴の蒸発を防ぐために加湿環境を作成し、長期的な(〜1時間)液滴作動を実証する。

図1: EWODセットアップの回路図(a)マイクロコントローラを用いて、EWOD電極に制御シーケンスを提供する。また、湿度は制御されます。(b) PCBレイアウトの概略図電極、蛍光イメージング用LED、抵抗、および電界効果トランジスタ(FET)は標識されています。1cmのスケールバーも表示されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:キットのトップビュー マイクロコントローラボード、高電圧供給ボード、EWOD PCB、湿度センサー、およびアトマイザーがラベル付けされています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

プロトコル

1) デジタルマイクロ流体キットの組み立て

1. 図1bの回路図に従って、表面実装抵抗、トランジスタ、および発光ダイオードをPCB基板にはんだ付けする。
2. 高圧電源ボードの出力を、はんだ付きコンポーネントを備えたPCBボードに接続します(図2および補足図1)。
3. バッテリーを電圧ブースターボードに接続して、電圧を6 Vから12Vに引き上げます(図2および補助図1)。
4. 電圧ブースターボードに高圧電源ボードを接続して電圧を12 Vから~230Vに引き上げます(図2および補助図1)。
5. マイクロコントローラボードに湿度センサーを接続します。超音波ピエゾアトマイザーとアトマイザードライバボードをマイクロコントローラボードに接続します(図2および補助図1)。
6. 寸法23 cm x 20.5 cm x 6 cmのアクリルエンクロージャにアセンブリ全体を配置します。
7. マイクロコントローラの電源をオンにし、デジタルマルチメーターを使用してEWOD電極の電圧を測定し、出力電圧が~230Vであることを確認します。

2) 電極アレイ上の絶縁体の調製

1. 清潔なニトリル手袋を着用してください。マイクロピペットを使用して、5 cStシリコーンオイルの約10μLを電極領域に塗布し、指でシリコンオイルを電極領域に均等に広げます。なお、シリコンオイルは電極とフードラップ絶縁体の間の充填物として機能し、エアギャップを避けるためである。
2. 約2.5cm x 4cmのサイズのフードラップを切り、電極の上に置きます。マイクロピペットを使用して、5 cStシリコーンオイルの約10μLを電極領域に塗布し、指でシリコーンオイルを均等に広げます。なお、シリコーン油は、絶縁体の上に疎水性層として機能する。

3) ルミノールを用いた化学発光実験

1. 0.25gのルミノールと1.6gのNaOHを25mLの脱イオン水にガラススターラーと混ぜ合わせ、溶液を得る。
2. 前工程から20mLの溶液を20mLの過酸化水素3%と混合します。
3. マイクロピペットを使用して、前のステップのルミノール溶液をターゲット電極に2~5μL配置します。
4. マイクロピペットを使用して、10 μLの 0.1%w w/w のフェリシアン化カリウムを電極に配置します。これは、エレクトロウェットのために移動する液滴であることに注意してください。
5. マイクロコントローラをオンにして、フェリシアン化カリウムの10 μL液滴をルミノールと合体させます。

4) 蛍光イメージング実験

1. 1cm×1cmの寸法で半透明テープを切ります。励起発光ダイオードとEWOD電極の間に半透明テープを入れる。
2. スマートフォンのカメラに発光カラーガラスフィルターをテープで貼り付けます。
3. 2.5mgのフルオレセインイソチオシアネートをエタノール水溶液(3%w/w)溶液に混ぜます。
4. 電極の1つで前のステップから溶液のピペット〜10 μL。
5. マイクロコントローラの電源を入れます。
6. スマートフォンを使用して、液滴作動のビデオを録画します。

5)超音波アトマイザーによる長期液滴作動実験

1. 超音波アトマイザーに1mLの水を置きます。このコードは、90% 以上の湿度レベルを維持するために、しきい値フィードバック アルゴリズムを使用するように記述されていることに注意してください。
2. マイクロピペットで10μLの液滴を入れる。マイクロコントローラの電源を入れ、すぐにエンクロージャの蓋を閉じます。
3. ~1 時間待ちます。液滴作動を視覚的に確認します。

結果

液滴作動はスマートフォンで記録されます。化学発光および蛍光イメージングの代表的な結果を 図3 および 図4に示す。化学発光実験の場合、 図3に示すように、10μLのフェリシアニドの液滴が作動し、あらかじめ堆積した2μL液滴をターゲット電極上に混合して移動させた。連続した移動の間の期間は...

ディスカッション

ここで説明する手順は、読者が液滴作動のための働くEWODシステムを組み立て、テストし、マイクロ流体で実践的な経験を得ることを可能にする。高価な部品や化学試料を意図的に避けます。現在、1つのキットは、蛍光イメージング用の光学カラーガラスとカスタムアクリルエンクロージャを除くマイクロコントローラである最も高価なコンポーネントで〜$130のために構築することができま?...

資料

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