Bilim Eğitimi için Dijital Mikroakışkanlar Damlacık Aktüasyonuna Dayalı Çok Yönlü Bir Kit

Özet

Kullanıcıların birden fazla deney gerçekleştirmesine ve dijital mikroakışkanlar üzerinde uygulamalı deneyim kazanmasına olanak tanıyan bir eğitim kiti açıklıyoruz.

Özet

Bu makalede, dijital mikroakışkanlara dayalı bir eğitim kiti açıklanmaktadır. Luminol bazlı chemiluminescence deneyi için bir protokol belirli bir örnek olarak bildirilmektedir. Ayrıca floresan görüntüleme yeteneğine ve buharlaşmayı önlemek için ultrasonik atomizere dayanan kapalı nemlendirilmiş muhafazaya sahiptir. Kit kısa bir süre içinde ve elektronik ve lehimleme konusunda minimum eğitimle monte edilebilir. Kit, hem lisans/yüksek lisans öğrencilerinin hem de meraklılarının mikroakışkanlar konusunda sezgisel bir şekilde uygulamalı deneyim edinmelerini ve dijital mikroakışkanlara aşinalık kazanmak için eğitilmelerini sağlar.

Giriş

Mikroakışkanlar, femtolitreden mikrolitrelere kadar küçük hacimli sıvıların manipülasyonu için fizik, kimya, biyoloji ve mühendisliği tarayan son derece disiplinler arası bir alandır^1. Mikroakışkanlar aynı zamanda çok geniş ve aktif bir alandır; Bir Web of Science araması yaklaşık 20.000 yayın döndürür ve yine de mikroakışkanların eğitim aracı olarak kullanımı hakkında yeterli literatür ve inceleme makalesi yoktur². Legge ve Fintschenko^3,4tarafından modası geçmiş inceleme makaleleri olsa da iki anlayışlı vardır. Legge, eğitimcileri çip^3'tekilaboratuvar fikriyle tanıştırır. Fintschenko, Fen Teknolojisi Mühendisliği Matematik (STEM) eğitiminde mikroakışkanlar öğretim laboratuvarının rolüne dikkat çekti ve felsefeleri basitleştirerek "mikroakışkanları öğretin" ve "mikroakışkanları kullanın"⁴. Rackus, Ridel-Kruse ve Pamme tarafından 2019'da yapılan daha yeni bir inceleme, doğada disiplinler arası olmasının yanı sıra, mikroakışkanların da çok uygulamalı bir konu olduğuna işaret ediyor². Mikroakışkanların uygulamalarıyla ilgili uygulamalı etkinlik, öğrencilere sorgulama tabanlı öğrenmeye ödünç verir ve onu bilim iletişimi ve sosyal yardım için ilgi çekici bir araç haline getirir. Mikroakışkanlar gerçekten de hem resmi hem de gayri resmi ortamlarda bilim eğitimi için çok fazla potansiyel sunar ve aynı zamanda genel halkı modern bilimlerin disiplinler arası yönü hakkında teşvik etmek ve eğitmek için ideal bir "araçtır".

Düşük maliyetli mikrokanal cihazlar, kağıt mikroakışkanlar ve dijital mikroakışkanlar gibi örnekler eğitim amaçlı ideal araçlardır. Bu platformlar arasında, dijital mikroakışkanlar ezoterik olmaya devam ediyor ve dijital mikroakışkanlara dayanan hakemli raporlar². Burada dijital mikroakışkanları çeşitli nedenlerden dolayı bir eğitim aracı olarak kullanmayı öneriyoruz. İlk olarak, dijital mikroakışkanlar mikrokanal bazlı paradigmadan çok farklıdır, çünkü damlacıkların manipülasyonu ve damlacıkların ayrı mikrovesseller olarak kullanımına dayanır. İkincisi, damlacıklar nispeten genel elektrot dizisi platformlarında manipüle edilir, böylece dijital mikroakışkanlar mikroelektronik ile yakından birleşebilir. Kullanıcılar, artık kendin yap uygulamalarının damlacıklarla elektronik arayüz kurması için son derece erişilebilir olan genişletilmiş bir elektronik bileşen kümesinden yararlanabilir. Bu nedenle, dijital mikroakışkanların öğrencilerin bu benzersiz yönleri deneyimlemelerine ve mikrokanal bazlı düşük Reynold sayısı mikroakışkanlara bağlı kalmamak için açık fikirli olmalarına izin verebileceğini savunuyoruz¹.

Kısaca, dijital mikroakışkanlar alanı büyük ölçüde ilk olarak Gabriel Lippmann^5,6tarafından tanımlanan elektrowetting fenomenine dayanmaktadır. Son gelişmeler Berge tarafından 1990'ların başında başlatıldı⁷. Onun temel katkısı, elektroliz sorununu ortadan kaldırmak için iletken sıvıyı metalik elektrotlardan ayırmak için ince bir yalıtkan getirme fikridir. Bu fikir dielektrik (EWOD) üzerinde elektrowetting olarak adalmıştır. Daha sonra, dijital mikroakışkanlar birkaç öncü araştırmacı tarafından popülerleştirildi^8,9. Şimdi, örneğin klinik tanı, kimya ve biyolojide kapsamlı bir uygulama listesi, dijital mikroakışkanlar^{10 , 11,12} üzerinde kanıtlanmıştır ve bu nedenle, bir eğitim ortamı için birçok örnek mevcuttur. Özellikle, düşük maliyetli, kendin yap dijital mikroakışkanlar hattı boyunca, Abdelgawad ve Wheeler daha önce dijital mikroakışkanların düşük maliyetli, hızlı prototiplemesini^{bildirmiştir 13,14}. Fobel ve ark., ayrıca DropBot'un açık kaynaklı bir dijital mikroakışkan kontrol sistemi¹⁵. Yafia ve arkadaşları, ayrıca 3D baskılı parçalara ve daha küçük telefon^16'yadayanan taşınabilir bir dijital mikroakışkan bildirdi. Alistar ve Gaudenz, alan efekti transistör dizisi ve dc aktüasyon¹⁷'ye dayanan pille çalışan OpenDrop platformunu da geliştirdiler.

Burada, kullanıcının dijital mikroakışkanlarla bir araya gelip uygulamalı deneyim elde etmesini sağlayan ticari kaynaklı baskılı devre kartına (PCB) dayalı bir dijital mikroakışkanlar eğitim kiti sunuyoruz (Şekil 1). Dijital tasarım dosyalarından PCB oluşturmak için hizmet ücreti yaygın olarak mevcuttur ve bu nedenle dijital tasarım dosyalarının paylaşılabilmesi koşuluyla eğitim için uygun bir düşük maliyetli çözüm olduğunu düşünüyoruz. Montaj sürecini basitleştirmek ve kullanıcının sezgiselliği ile bir arayüz yapmak için bileşenlerin ve sistem tasarımının titiz bir seçimi yapılır. Bu nedenle, üst plaka ihtiyacını önlemek için iki plaka konfigürasyonu yerine tek plaka konfigürasyonu kullanılır. Hem bileşenlerin hem de test kimyasallarının kolayca kullanılabilir olması gerekir. Örneğin, süpermarketten gelen gıda ambalajı kitimizin yalıtkan olarak kullanılır.

Kitimizin fizibilitesini kanıtlamak için, luminol chemiluminescence'a dayalı özel bir kimya deneyi öneriyoruz ve protokolü sağlıyoruz. Umut, chemiluminescence'ın görsel gözleminin öğrencileri büyüleyebilmesi ve heyecanlandırabilmesidir. Luminol, H 2_{O 2}gibi bir oksitleyici madde ile karıştırıldığında mavi bir parıltı sergileyen ve tipik olarak adli tıpta kan^18'itespit etmek için kullanılan bir kimyasaldır. Laboratuvar ortamımızda potasyum ferrisiyanür katalizör görevi görür. Luminol hidroksit iyonu ile reaksiyona gelir ve bir dianion oluşturur. Dianion daha sonra hidrojen peroksitten gelen oksijenle tepki vererek elektronlarla 5-aminoftalik asit oluşturur ve elektronların heyecanlı durumdan zemin durumuna gevşemesi, mavi ışık patlaması olarak görülebilen fotonlarla sonuçlanır.

Ayrıca, ışık yayan bir diyotun (LED) bir heyecan ışığı kaynağı olarak entegrasyonunu göstermek için bir akıllı telefonla floresan görüntüleme deneyi bildiriyoruz. Son olarak, damlacık buharlaşması mikroakışkanlarda bir sorundur, ancak nadiren ele alınmaktadır. (Açık bir substrat^3'ten1 saat içinde 1 μL su damlacığı kaybolur.) Suyu ince buğuya dönüştürmek için yüksek frekanslı piezo dönüştürücüye dayanan bir atomizer kullanıyoruz. Bu, damlacık buharlaşmasını önlemek için nemlendirilmiş bir ortam oluşturur ve uzun süreli (~1 h) damlacık aktüasyonunu gösterir.

Şekil 1: EWOD kurulumunun şemaları. (a) EWOD elektrodunun kontrol dizisini sağlamak için bir mikrodenetleyici kullanılır. Ayrıca, nem kontrol edilir. (b) PCB düzeninin şemaları. Elektrotlar, floresan görüntüleme için LED, direnç ve alan etkisi transistörleri (FET) etiketlenmiştir. 1 cm'lik ölçek çubuğu da gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Kitin üst görünümü. Mikrodenetleyici kartı, yüksek gerilim besleme kartı, EWOD PCB, nem sensörü ve atomizer etiketlenmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protokol

1) Dijital mikroakışkan kitinin montajı

1. Şekil 1b'dekişemalara göre yüzey montaj dirençlerini, transistörleri ve ışık yayan diyotları PCB kartına lehimler.
2. Yüksek gerilim güç kaynağı panosunun çıkışını lehimli bileşenlerle PCB kartına bağlayın (Şekil 2 ve Tamamlayıcı Şekil 1).
3. Voltajı 6 V'ten 12 V'a(Şekil 2 ve Ek Şekil 1)yükseltmek için pili voltaj yükseltici kartına bağlayın.
4. Voltajı 12 V'tan ~230 V'a(Şekil 2 ve Tamamlayıcı Şekil 1)yükseltmek için yüksek voltaj besleme panosuna gerilim yükseltici kartı bağlayın.
5. Nem sensörini mikrodenetleyici kartına bağlayın. Ultrasonik piezo atomizer ve atomizer sürücü tahtasını mikrodenetleyici kartına bağlayın (Şekil 2 ve Tamamlayıcı Şekil 1).
6. Tüm montajı 23 cm x 20,5 cm x 6 cm boyutlarda akrilik muhafazaya yerleştirin.
7. Mikrodenetleyiciyi kodla açın (Ek Kod) ve çıkış voltajının ~230 V olduğundan emin olmak için EWOD elektrodunun voltajını ölçmek için dijital multimetreyi kullanın.

2) Elektrot dizisinde izolatör hazırlanması

1. Temiz nitril eldiven giyin. Elektrot bölgesine ~10 μL 5 cSt silikon yağı uygulamak için bir mikropipette kullanın ve silikon yağını elektrot bölgesine eşit olarak yaymak için bir parmak kullanın. Silikon yağının elektrot ve gıda sargısı yalıtkan arasındaki dolgu görevi görür ve herhangi bir airgap önlemek için.
2. Yaklaşık 2,5 cm x 4 cm boyutlarında bir parça gıda sargısı kesin ve elektronun üzerine yerleştirin. Elektrot bölgesine ~10 μL 5 cSt silikon yağı uygulamak için mikropipette kullanın ve silikon yağını eşit şekilde yaymak için bir parmak kullanın. Silikon yağının izolatörün üstünde hidrofobik bir tabaka görevi görür.

3) Luminol bazlı chemiluminescence deneyi

1. Bir çözelti elde etmek için 25 mL deiyonize suda 0,25 g luminol ve 1,6 g NaOH'u bir bardak karıştırıcı ile bir beherde karıştırın.
2. Çözeltinin 20 mL'sini önceki adımdan % 3 hidrojen peroksitin 20 mL'si ile karıştırın.
3. Hedef elektrot üzerindeki önceki adımdan 2-5 μL luminol çözeltisi yerleştirmek için bir mikropipette kullanın.
4. Elektrot üzerine % 0,1 potasyum ferrikyanür 10 μL yerleştirmek için bir mikropipette kullanın. Bunun elektrowetting için taşınacak damlacık olduğunu unutmayın.
5. 10 μL potasyum ferrikyanit damlacığı luminol ile birleştirmek için taşımak için mikrodenetleyiciyi açın.

4) Floresan görüntüleme deneyi

1. ~1 cm x 1 cm boyutlarda yarı saydam bir bant parçası kesin. Yarı saydam bandı, heyecan verici ışık yayan diyot ve EWOD elektrotları arasına yerleştirin.
2. Akıllı telefonun kamerasına emisyon renkli cam filtreyi bantla takın.
3. Sulu etanol (%3 w/w) çözeltisinde 2,5 mg floresan izotiyosiyanat karıştırın.
4. Pipet ~ 10 μL çözelti elektrotlardan birinde önceki adımdan.
5. Mikrodenetleyiciyi aç.
6. Damlacık aktüasyonunun videosunu kaydetmek için akıllı telefonu kullanın.

5) Ultrasonik atomizer ile uzun süreli damlacık aktüasyon deneyi

1. Ultrasonik atomizer üzerine 1 mL su yerleştirin. Kodun% 90'ın üzerinde bir nem seviyesini korumak için bir eşik geri bildirim algoritması kullanmak için yazıldığını unutmayın.
2. Bir mikropipette ile 10 μL damlacık yerleştirin. Mikrodenetleyiciyi açın ve kasanın kapağını hemen kapatın.
3. ~1 saat bekleyin. Damlacık aktüasyonunu görsel olarak kontrol edin.

Sonuçlar

Damlacık aktüasyonu bir akıllı telefonla kaydedilir. Chemiluminescence ve floresan görüntüleme için temsili sonuçlar Şekil 3 ve Şekil 4'tegörüntülenir. Chemiluminescence deneyi için, 10 μL ferrikyanür damlacık, Şekil 3'tegösterildiği gibi hedef elektrot üzerinde önceden yatırılmış 2 μL damlacık ile hareket etmek ve karıştırmak için harekete geçirildi. Ardışık hare...

Tartışmalar

Burada açıklanan prosedür, okuyucunun damlacık aktüasyonu için çalışan bir EWOD sistemini bir araya getirip test etmesine ve mikroakışkanlarla uygulamalı deneyim kazanmasına olanak tanır. Pahalı bileşenlerden ve kimyasal numunelerden kasıtlı olarak kaçınıyoruz. Şu anda, bir kit ~ $ 130 için inşa edilebilir en pahalı bileşen floresan görüntüleme için optik renkli cam ve özel akrilik muhafaza hariç mikrodenetleyicidir(Ek Tablo 1). Böyle bir maliyet için, floresan görünt?...

Malzemeler

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