Универсальный комплект на основе цифровой микрофлюиды Droplet Actuation для научного образования

Резюме

Мы описываем образовательный набор, который позволяет пользователям выполнять несколько экспериментов и получить практический опыт работы с цифровой микрофлюидой.

Аннотация

В настоящем документе описывается образовательный комплект, основанный на цифровой микрофлюиде. В качестве конкретного примера приводится протокол эксперимента по химилюминесценции на основе люминола. Он также имеет флуоресцентные изображения и закрытый увлажненные корпуса на основе ультразвукового форсунки для предотвращения испарения. Комплект может быть собран в течение короткого периода времени и с минимальным обучением электронике и припою. Комплект позволяет как студентам/аспирантам, так и энтузиастам получить практический опыт работы с микрофлюидой интуитивно и быть обученными знакомству с цифровой микрофлюидой.

Введение

Микрофлюиды является весьма междисциплинарной области расчесывания физики, химии, биологии и инженерии для манипуляции небольшой объем жидкостей, начиная от фемтолитров до микролитров¹. Микрофлюиды также является очень широким и активным полем; Поиск Web of Science возвращает почти 20 000 публикаций, и все же не хватает литературы и обзорных работ по использованию микрофлюиды в качестве учебного^{пособия 2}. Есть две проницательные, хотя и устаревшие обзорные статьи Легге и Финченко^3,4. Legge знакомит педагогов с идеей лаборатории на чипе³. Финченко указал на роль лаборатории микрофлюиды в обучении научно-технологической инженерной математике (STEM) и упростил философию в "учить микрофлюидуиду" и "использовать микрофлюидуиду"^4. Более поздний обзор Rackus, Ridel-Kruse и Pamme в 2019 году указывает на то, что в дополнение к междисциплинарному характеру, микрофлюиды также очень практический вопрос². Практическая деятельность, связанная с практикой микрофлюиды, предоставляет учащимся обучение на основе исследований и делает его привлекательным инструментом для научной коммуникации и информационно-пропагандистской работы. Микрофлюиды действительно предлагает большой потенциал для научного образования в формальной и неформальной обстановке, а также является идеальным "инструментом", чтобы воодушевить и просвещать общественность о междисциплинарном аспекте современных наук.

Такие примеры, как недорогие микроканальные устройства, бумажная микрофлюиду и цифровая микрофлюиды, являются идеальными инструментами для образовательных целей. Среди этих платформ, цифровые микрофлюиды остается эзотерической и рецензируемых докладов, основанных на цифровой микрофлюиды^{не хватает 2}. Здесь мы предлагаем использовать цифровую микрофлюиду в качестве образовательного инструмента по нескольким причинам. Во-первых, цифровая микрофлюиду очень отличается от микроканальной парадигмы, поскольку она основана на манипуляции каплями и использовании капель в качестве дискретных микровесов. Во-вторых, капельками манипулируют на относительно общих электродных платформах, поэтому цифровая микрофлюида может быть тесно соединена с микроэлектроникой. Пользователи могут использовать расширенный набор электронных компонентов, теперь очень доступны для сделай сам приложений в электронном интерфейсе с каплями. Таким образом, мы утверждаем, что цифровые микрофлюиды могут позволить студентам испытать эти уникальные аспекты и быть открытыми не слишком придерживаться микроканальной основе низкой Рейнольд номер микрофлюиды¹.

Короче говоря, область цифровой микрофлюиды в значительной степени основана на явлениях электроодкивания, которые были впервые описаны Габриэль^{Липпманн 5,6}. Последние события были инициированы Берже в начале 1990-х^{годов 7}. Его ключевым вкладом является идея введения тонкого изолятора для отделять проводящие жидкости от металлических электродов, чтобы устранить проблему электролиза. Эта идея была термином, как электроотвод на диэлектрических (EWOD). Впоследствии цифровая микрофлюиды была популяризирована несколькими исследователями-первопроходцами^8,9. Теперь полный список приложений, например, в клинической диагностике, химии и биологии, был^{доказан на цифровой микрофлюиды 10,11,12} и, следовательно, множество примеров доступны для образовательных учреждений. В частности, по линии низкой стоимости, сделай сам цифровые микрофлюиды, Абдельгавад и Уилер ранее сообщали о недорогих, быстрых прототипах цифровых микрофлюидов^13,14. Fobel и др., также сообщил DropBot как с открытым исходным кодом цифровой микрофлюидной системы управления¹⁵. Yafia и др., также сообщили портативные цифровые микрофлюиды на основе 3D печатных частей и меньше телефон¹⁶. Alistar и Gaudenz также разработали платформу OpenDrop на батарейках, которая основана на транзисторном массиве полевого эффекта и активации^{DC 17.}

Здесь мы представляем цифровой микрофлюиды образовательный комплект на основе коммерчески источников печатной платы (PCB), что позволяет пользователю собирать и получать практический опыт работы с цифровой микрофлюиды (Рисунок 1). Плата за услуги по созданию ПКБ из цифровых файлов дизайна широко доступна, и поэтому мы считаем, что это жизнеспособное недорогое решение для образования при условии, что цифровые файлы дизайна могут быть общими. Тщательный выбор компонентов и системного дизайна сделан для упрощения процесса сборки и создания интерфейса с интуитивно понятным пользователем. Таким образом, конфигурация одной пластины используется вместо двух пластин конфигурации, чтобы избежать необходимости в верхней пластине. Как компоненты, так и испытательные химические вещества должны быть легко доступны. Например, пищевая пленка из супермаркета используется в качестве изолятора в нашем комплекте.

Чтобы доказать осуществимость нашего комплекта, мы предлагаем конкретный химический эксперимент, основанный на химилюминесценции люминола и предоставляем протокол. Есть надежда, что визуальное наблюдение за химилюминесценцией может воодушевить и возбудить студентов. Luminol является химическим веществом, которое проявляет синее свечение при смешивании с окисливляющее_{вещество, такое как}H 2 O_{2 и, как} правило, используется в судебно-медицинской экспертизы для^{обнаружения крови 18}. В нашей лабораторной обстановке катализатором выступает феррикианин калия. Люминол реагирует с ионом гидроксида и образует дианион. Впоследствии дианион реагирует с кислородом из перекиси водорода, чтобы сформировать 5-аминофталиновой кислоты с электронами в возбужденном состоянии, и расслабление электронов от возбужденного состояния до состояния земли приводит к фотонам, видимым как взрыв синего света.

Мы также сообщаем об эксперименте с флуоресцентной визуализацией со смартфоном, чтобы продемонстрировать интеграцию светоизлучающего диода (LED) в качестве источника возбудительного света. Наконец, испарение капель является проблемой микрофлюиды, но редко решается. (1 йл капли воды теряется в пределах 1 ч от открытого субстрата³.) Мы используем распылитель на основе высокочастотного преобразователя пьезо для преобразования воды в мелкий туман. Это создает увлажняемую среду для предотвращения испарения капель и демонстрирует долгосрочную активацию капель (1 ч).

Рисунок 1: Схема EWOD создана. (a) Микроконтроллер используется для обеспечения последовательности управления электродом EWOD. Кроме того, влажность контролируется. b)Схема макета ПХД. Помечены электроды, светодиоды для флуоресцентных изображений, резистор и транзисторы полевого эффекта (FET). Также показана шкала бар 1 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2: Верхний вид комплекта. Помечены доска микроконтроллера, высоковольтная доска питания, EWOD PCB, датчик влажности и распылитель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

протокол

1) Сборка комплекта цифровой микрофлюиды

1. Solder резисторы поверхностного крепления, транзисторы и светоизлучающие диоды на доске ПХД в соответствии со схемами на рисунке 1b.
2. Подключите выход высоковольтной доски питания к доске ПХД с припойными компонентами(рисунок 2 и дополнительный рисунок 1).
3. Подключите батарею к доске усилителя напряжения, чтобы увеличить напряжение с 6 V до 12 V(рисунок 2 и дополнительный рисунок 1).
4. Подключите высоковольтную доску питания к доске усилителя напряжения, чтобы увеличить напряжение с 12 V до 230 V(рисунок 2 и дополнительный рисунок 1).
5. Подключите датчик влажности к доске микроконтроллеров. Подключите ультразвуковой распылитель пьезо и доску драйвера форсунки к доскемикроконтроллеров (рисунок 2 и дополнительная цифра 1).
6. Поместите всю сборку в акриловый корпус размеров 23 см х 20,5 см х 6 см.
7. Включите микроконтроллер с кодом(дополнительныйкод) и используйте цифровой мультиметр для измерения напряжения электрода EWOD, чтобы убедиться, что выходное напряжение составляет 230 В. Отрегулируйте переменный резистор высоковольтной доски питания таким образом, чтобы выходное напряжение составило 230 В (Дополнительная цифра 2).

2) Подготовка изолятора на электродной решетке

1. Носите чистые нитриле перчатки. Используйте микропипюту, чтобы наложить 10 йл из 5 cSt силиконового масла на область электрода и использовать палец для равномерного распространения силиконового масла на области электрода. Обратите внимание, что силиконовое масло служит в качестве заполнения между электродом и пищевой оберткой изолятора и, чтобы избежать каких-либо воздушных кранов.
2. Вырезать кусок пищевой пленки с размерами около 2,5 см х 4 см и поместить его на верхней части электрода. Используйте micropipette для применения 10 йл 5 cSt силиконового масла на области электрода и использовать палец для равномерного распространения силиконового масла. Обратите внимание, что силиконовое масло служит гидрофобным слоем поверх изолятора.

3) Эксперимент по химилюминесценции на основе люминола

1. Смешайте 0,25 г люминола и 1,6 г NaOH в 25 мл деионизированной воды в стакане со стеклянным мешалки, чтобы получить раствор.
2. Смешайте 20 мл раствора с предыдущего шага с 20 мл 3% перекиси водорода.
3. Используйте микропипюту, чтобы поместить 2-5 МКЛ раствора люминола с предыдущего шага на электрод цели.
4. Используйте микропипет для того чтобы поместить 10 l 0.1% w/w феррикяид калия на электроде. Обратите внимание, что это капля, которая будет перемещена для электроодкивания.
5. Включите микроконтроллер, чтобы переместить 10 капли калия феррикязида, чтобы слиться с люминолом.

4) Флуоресцентный эксперимент изображений

1. Вырежьте кусок полупрозрачной ленты с габаритами 1 см х 1 см. Поместите полупрозрачную ленту между возбуждающим светоизлучающим диодом и электродами EWOD.
2. Прикрепите фильтр излученного цвета стекла на камеру смартфона лентой.
3. Смешайте 2,5 мг фторсхейна изотиоцианата в растворе аквеозного этанола (3% ж/в).
4. Пипетка 10 мкл раствора с предыдущего шага на одном из электродов.
5. Включите микроконтроллер.
6. Используйте смартфон для записи видео droplet актуации.

5) Долгосрочный эксперимент по активации капель с ультразвуковым форсункой

1. Поместите 1 мл воды на ультразвуковой распылитель. Обратите внимание, что код написан с использованием алгоритма пороговой обратной связи для поддержания уровня влажности более 90%.
2. Поместите каплю 10 МКЛ с микропайпеттом. Включите микроконтроллер и немедленно закройте крышку корпуса.
3. Подождите 1 ч. Визуально проверьте актуацию капель.

Результаты

Актуация капель записывается с помощью смартфона. Репрезентативные результаты по химилюминесценции и флуоресцентной визуализации отображаются на рисунке 3 и рисунке 4. Для эксперимента по химилюминесценции капля 10 йл феррикианида пр?...

Обсуждение

Описанная здесь процедура позволяет читателю собрать и протестировать рабочую систему EWOD для активации капель и получить практический опыт работы с микрофлюидой. Мы намеренно избегаем дорогих компонентов и химических образцов. В настоящее время, один комплект может быть построен за $...

Материалы

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