Um Kit Versátil baseado em atuação de gotículas de microfluídicas digitais para educação científica

Resumo

Descrevemos um kit educacional que permite aos usuários executar vários experimentos e ganhar experiência prática em microfluidos digitais.

Resumo

Este artigo descreve um kit educacional baseado em microfluidos digitais. Um protocolo para experimento de chemiluminescência baseado em luminol é relatado como um exemplo específico. Também tem capacidade de imagem fluorescente e gabinete umidificado fechado baseado em um atomizador ultrassônico para evitar a evaporação. O kit pode ser montado em um curto período de tempo e com treinamento mínimo em eletrônica e solda. O kit permite que estudantes de graduação/pós-graduação e entusiastas obtenham experiência prática em microfluidos de forma intuitiva e sejam treinados para obter familiaridade com microfluidos digitais.

Introdução

Microfluidos é um campo altamente interdisciplinar que penteia física, química, biologia e engenharia para a manipulação de pequenos volumes de líquidos que vão de femtoliter a microliters¹. A microfluidics também é um campo muito amplo e ativo; uma pesquisa da Web of Science retorna quase 20.000 publicações e ainda não há literatura suficiente e artigos de revisão sobre o uso de microfluidos como ferramenta educacional². Existem dois artigos de revisão perspicazes, embora desatualizados por Legge e Fintschenko^3,4. Legge apresenta educadores à ideia de um laboratório em um chip³. Fintschenko apontou o papel do laboratório de ensino de microfluidos na educação em Ciência Tecnologia de Engenharia matemática (STEM) e simplificou as filosofias em "ensinar microfluidos" e "usar microfluidos"⁴. Uma revisão mais recente de Rackus, Ridel-Kruse e Pamme em 2019 aponta que, além de ser interdisciplinar na natureza, os microfluidos também são um assunto muito prático². A atividade prática relacionada à prática de microfluidos empresta aos alunos a aprendizagem baseada em inquéritos e a torna uma ferramenta envolvente para comunicação científica e divulgação. Os microfluidos, de fato, oferecem muito potencial para a educação científica em ambientes formais e informais e também é uma "ferramenta" ideal para entusiasmar e educar o público em geral sobre o aspecto interdisciplinar das ciências modernas.

Exemplos como dispositivos microcanais de baixo custo, microfluidos de papel e microfluidos digitais são ferramentas ideais para fins educacionais. Entre essas plataformas, faltam microfluidos digitais e relatórios revisados por pares baseados emmicrofluidos digitais. Aqui propomos usar microfluidos digitais como ferramenta educacional por diversas razões. Em primeiro lugar, os microfluidos digitais são muito distintos do paradigma baseado em microcanal, pois baseia-se na manipulação das gotículas e no uso das gotículas como microvexes discretos. Em segundo lugar, as gotículas são manipuladas em plataformas relativamente genéricas de matriz de eletrodos para que os microfluidos digitais possam ser intimamente acoplado com microeletrônicas. Os usuários podem aproveitar um conjunto estendido de componentes eletrônicos, agora altamente acessíveis para aplicativos "faça você mesmo" para interagir eletronicamente com gotículas. Assim, argumentamos que os microfluidos digitais podem permitir que os alunos experimentem esses aspectos únicos e não se abram excessivamente para se ater aos microfluidos de baixo número de reynold baseados em microcanais¹.

Resumidamente, o campo dos microfluidos digitais é em grande parte baseado nos fenômenos de eletrowetting, que foi descrito pela primeira vez por Gabriel Lippmann^5,6. Os recentes desenvolvimentos foram iniciados por Berge no início da década de 1990⁷. Sua principal contribuição é a ideia de introduzir um isolador fino para separar o líquido condutor dos eletrodos metálicos para eliminar o problema da eletrólise. Essa ideia tem sido denominada como eletrowetting em dielétrica (EWOD). Posteriormente, os microfluidos digitais foram popularizados por vários pesquisadores pioneiros^8,9. Agora, uma lista abrangente de aplicações, por exemplo, em diagnósticos clínicos, química e biologia, foi comprovada em microfluidos digitais^10,11,12 e, portanto, muitos exemplos estão disponíveis para um ambiente educacional. Em particular, ao longo da linha de microfluidos digitais de baixo custo, faça você mesmo, Abdelgawad e Wheeler já relataram anteriormente prototipagem rápida e de baixo custo de microfluidos digitais^13,14. Fobel et al., também relataram o DropBot como um sistema de controle microfluido digital de código aberto¹⁵. Yafia et al., também relataram um microfluido digital portátil baseado em peças impressas em 3D e telefone menor¹⁶. Alistar e Gaudenz também desenvolveram a plataforma OpenDrop alimentada por bateria, que é baseada no conjunto transistor de efeito de campo e na atuação^{dc 17}.

Aqui, apresentamos um kit educativo de microfluidos digitais baseado em placa de circuito impresso de origem comercial (PCB) que permite ao usuário montar e ter experiência prática com microfluidos digitais(Figura 1). Taxa por serviço para criar PCB a partir de arquivos de design digital está amplamente disponível e, portanto, achamos que é uma solução viável de baixo custo para a educação, desde que os arquivos de design digital possam ser compartilhados. A escolha meticulosa de componentes e o design do sistema é feita para simplificar o processo de montagem e fazer uma interface com o intuitivo do usuário. Assim, uma configuração de uma placa é usada em vez de uma configuração de duas placas para evitar a necessidade de uma placa superior. Tanto os componentes quanto os produtos químicos de teste precisam estar facilmente disponíveis. Por exemplo, o envoltório de alimentos do supermercado é usado como isolador em nosso kit.

Para provar a viabilidade do nosso kit, sugerimos um experimento químico específico baseado na quimiomiluminescência de luminol e fornecemos o protocolo. A esperança é que a observação visual da quimiominascência possa entusiasmar e excitar os alunos. Luminol é um produto químico que exibe um brilho azul quando misturado com um agente oxidante como H₂O₂ e é tipicamente usado na perícia para detectar sangue¹⁸. Em nosso ambiente de laboratório, ferricyanida de potássio serve como catalisador. Luminol reage com o íon hidróxido e forma um dianion. O dianion reage posteriormente com oxigênio do peróxido de hidrogênio para formar ácido 5-aminoftálico com elétrons em um estado animado, e o relaxamento dos elétrons do estado animado para o estado terrestre resulta em fótons visíveis como uma explosão de luz azul.

Também relatamos um experimento de imagem fluorescente com um telefone inteligente para demonstrar a integração de um diodo emissor de luz (LED) como fonte de luz de excitação. Finalmente, a evaporação de gotículas é um problema em microfluidos, mas raramente está sendo tratada. (Um 1 μL de gotícula de água é perdido dentro de 1 h de um substrato aberto³.) Usamos um atomizador baseado em um transdutor piezo de alta frequência para converter água em névoa fina. Isso cria um ambiente umidificado para evitar a evaporação de gotículas e demonstra a atuação de gotícula a longo prazo (~1 h).

Figura 1: Esquemas de configuração EWOD. (a) Um microcontrolador é usado para fornecer uma sequência de controle ao eletrodo EWOD. Além disso, a umidade é controlada. (b) Esquemas de layout PCB. Eletrodos, LED para imagem fluorescente, resistor e transistores de efeito de campo (FET) são rotulados. A barra de escala de 1 cm também é mostrada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Vista superior do kit. Placa de microcontrolador, placa de alimentação de alta tensão, PCB EWOD, sensor de umidade e atomizador são rotulados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocolo

1) Montagem do kit de microfluidos digitais

1. Soldar os resistores de montagem de superfície, transistores e diodos emissores de luz na placa PCB de acordo com os esquemas na Figura 1b.
2. Conecte a saída da placa de alimentação de alta tensão à placa PCB com componentes soldados (Figura 2 e Figura Suplementar 1).
3. Conecte a bateria à placa de reforço de tensão para aumentar a tensão de 6 V a 12 V (Figura 2 e Figura Suplementar 1).
4. Conecte a placa de alimentação de alta tensão à placa de reforço de tensão para aumentar a tensão de 12 V a ~230 V(Figura 2 e Figura Suplementar 1).
5. Conecte o sensor de umidade à placa de microcontrolador. Conecte o atomizador piezo ultrassônico e a placa do motorista atomizador à placa microcontroladora(Figura 2 e Figura Suplementar 1).
6. Coloque todo o conjunto no gabinete acrílico de dimensões 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
7. Ligue o microcontrolador com o código (Código Suplementar) e use o rímetro digital para medir a tensão do eletrodo EWOD para certificar-se de que a tensão de saída é ~230 V. Ajuste o resistor variável da placa de alimentação de alta tensão, de modo que a tensão de saída seja ~230 V ( FiguraSuplementar 2).

2) Preparação do isolador na matriz de eletrodos

1. Use luvas de nitrito limpas. Use uma micropipette para aplicar ~10 μL de óleo de silicone de 5 cSt na área do eletrodo e use um dedo para espalhar o óleo de silicone uniformemente na área do eletrodo. Note que o óleo de silicone serve como o enchimento entre o eletrodo e o isolador de envoltório de alimentos e para evitar qualquer airgap.
2. Corte um pedaço de envoltório de alimentos com dimensões de aproximadamente 2,5 cm x 4 cm e coloque-o em cima do eletrodo. Use a micropipette para aplicar ~10 μL de óleo de silicone de 5 cSt na área do eletrodo e use um dedo para espalhar uniformemente o óleo de silicone. Note que o óleo de silicone serve como uma camada hidrofóbica em cima do isolador.

3) Experimento de chemiluminescência baseado em luminol

1. Misture 0,25 g de luminol e 1,6 g de NaOH em 25 mL de água deionizada em um béquer com um agitador de vidro para obter uma solução.
2. Misture 20 mL da solução da etapa anterior com 20 mL de peróxido de hidrogênio de 3%.
3. Use uma micropipette para colocar 2-5 μL da solução luminol da etapa anterior no eletrodo alvo.
4. Use uma micropipette para colocar 10 μL de 0,1% w/w ferricyande de potássio no eletrodo. Note que esta é a gota a ser movida para eletrowetting.
5. Ligue o microcontrolador para mover a gota de 10 μL de ferricyanida de potássio para se fundir com o luminol.

4) Experimento de imagem fluorescente

1. Corte um pedaço de fita semi-transparente com dimensões de ~1 cm x 1 cm. Coloque a fita semi-transparente entre o diodo emissor de luz excitação e os eletrodos EWOD.
2. Conecte o filtro de vidro de cor de emissão na câmera do telefone inteligente com fita.
3. Misture 2,5 mg de isothionato fluoresceína na solução aquosa de etanol (3% w/w).
4. Pipeta ~10 μL da solução da etapa anterior em um dos eletrodos.
5. Ligue o microcontrolador.
6. Use o telefone inteligente para gravar um vídeo de atuação de gotícula.

5) Experimento de atuação de gotículas de longo prazo com atomizador ultrassônico

1. Coloque 1 mL de água no atomizador ultrassônico. Observe que o código foi escrito para usar um algoritmo de feedback limiar para manter um nível de umidade acima de 90%.
2. Coloque uma gotícula de 10 μL com uma micropipette. Ligue o microcontrolador e feche imediatamente a tampa do gabinete.
3. Espere por ~1 h. Verifique visualmente a atuação de gotícula.

Resultados

A atuação de gotícula é gravada com um telefone inteligente. Os resultados representativos para a quemiluminescência e a imagem fluorescente são exibidos nas Figuras 3 e Figura 4. Para o experimento de chemiluminescência, a gota de 10 μL ferricyanida é acionada para se mover e misturar com gotícula pré-depositada de 2 μL no eletrodo alvo, como mostrado na Figura 3. O período de tempo ent...

Discussão

O procedimento descrito aqui permite ao leitor montar e testar um sistema EWOD funcionando para atuação de gotículas e ganhar experiência prática com microfluidos. Nós intencionalmente evitamos componentes caros e amostras químicas. Atualmente, um kit pode ser construído por ~$130 com o componente mais caro sendo vidro de cor óptica para imagem fluorescente e microcontrolador, excluindo o gabinete acrílico personalizado(Tabela Suplementar 1). Por esse custo, uma capacidade de imagem fluorescent...

Materiais

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