Name: a versatile kit based on digital microfluidics droplet actuation for science education
Uploaded: 2021-04-26T13:30:00
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Y. T. Y. 谨根据赠款编号 MOST 107-2621-M-007-001-MY3 和国家清华大学赠款编号 109Q2702E1，感谢科技部的资助支持。来自伊丹兹集团（https://en-author-services.edanzgroup.com/ac）的马克·库尔班编辑了这份手稿的草稿。

1） 组装数字微流体套件
<ol><li>根据 图 1b中的示意图，将表面安装电阻器、晶体管和发光二极管焊到多氯联苯板上。</li>
	<li>将高压电源板的输出与带焊接部件的多氯联苯板连接起来（图2和补充图1）。</li>
	<li>将电池连接到电压助推器板，将电压从 6 V 提高到 12 V（图 2 和 辅助图 1）。</li>
	<li>将高压供?...

<ol>
	<li>Convery, N., Gadegaard, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=30+years+of+microfluidics.">30 years of microfluidics.</a> Micro and Nano Engineering. 2, 76-91 (2019).</li><li>Rackus, D. G., Ridel-Kruse, I. H., Pamme, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Learning+on+a+chip:+Microfluidics+for+formal+and+informal+science+education.">Learning on a chip: Microfluidics for formal and informal science education.</a> Biomicrofluidics. 13, 041501 (2019).</li><li>Legge, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemistry+under+the+microscope-Lab+on+a+chip+technologies.">Chemistry under the microscope-Lab on a chip technologies.</a> Journal of Chemical Education. 79, 173 (2002).</li><li>Fintschenko, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Education:+a+modular+approach+to+microfluidics+in+the+teaching+laboratory.">Education: a modular approach to microfluidics in the teaching laboratory.</a> Lab On A Chip. 11, 3394 (2011).</li><li>Mugele, F., Baret, J. -. 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D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrowetting-based+actuation+of+liquid+droplets+for+microfluidics+applications.">Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidics applications.</a> Applied Physics Letters. 77, 1725 (2000).</li><li>Lee, J., Kim, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-tension-driven+microactuation+based+on+continuous+electrowetting.">Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 171 (2000).</li><li>Choi, K., Ng, A. H. C., Fobel, R., Wheeler, A. 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Applications of electrowetting-based digital microfluidics in clinical diagnostics.</a> Expert Review of Molecular Diagnostics. 11, 393-407 (2011).</li><li>Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+in+copper+substrates+for+digital+microfluidics.">Rapid prototyping in copper substrates for digital microfluidics.</a> Advanced Materials. 19 (1), 133-137 (2007).</li><li>Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost,+rapid-prototyping+of+digital+microfluidics+devices.">Low-cost, rapid-prototyping of digital microfluidics devices.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 4, 349-355 (2008).</li><li>Fobel, R., Fobel, C., Wheeler, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DropBot:+an+open-source+digital+microfluidic+control+system+with+precise+control+of+electrostatic+driving+force+and+instantaneous+drop+velocity+measurement.">DropBot: an open-source digital microfluidic control system with precise control of electrostatic driving force and instantaneous drop velocity measurement.</a> Applied Physics Letters. 102, 193513 (2013).</li><li>Yafia, M., Ahmadi, A., Hoorfar, M., Najjaran, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-portable+smartphone+controlled+integrated+digital+microfluidic+system+in+a+3D-printed+modular+assembly.">Ultra-portable smartphone controlled integrated digital microfluidic system in a 3D-printed modular assembly.</a> Micromachines. 6 (9), 1289-1305 (2015).</li><li>Alistar, M., Gaudenz, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=OpenDrop:+an+integrated+do-it-yourself+platform+for+personal+use+of+biochips.">OpenDrop: an integrated do-it-yourself platform for personal use of biochips.</a> Bioengineering. 4 (2), 45 (2017).</li><li>Khan, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Luminol-based+chemiluminescent+signals:+clinical+and+non-clinical+application+and+future+uses.">Luminol-based chemiluminescent signals: clinical and non-clinical application and future uses.</a> Applied Biochemistry and Biotechnology. 173 (2), 333-355 (2014).</li><li>Agresti, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrahigh-throughput+screening+in+drop-based+microfluidics+for+directed+evolution.">Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (9), 4004-4009 (2010).</li><li>. Microfluidics Available from: <a target="_blank" href="https://microfluidics.utoronto.ca/dropbot/">https://microfluidics.utoronto.ca/dropbot/</a> (2020)</li><li>Busnel, J. 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此处描述的程序允许读卡器组装和测试工作 EWOD 系统以进行液滴激活，并获得微流体的动手经验。我们故意避免昂贵的组件和化学样品。目前，一个套件可以建造约130美元，最昂贵的组件是光学彩色玻璃荧光成像和微控制器，不包括自定义丙烯酸外壳（补充表1）。对于这样的成本，还包括荧光成像能力和基于雾化器的主动湿度环境控制。（一个典型的荧光显微镜的成本超过1，500~19<su...

微流体是一个高度跨学科的领域，对物理、化学、生物学和工程学进行梳理，以操纵从女性到微升1等少量液体。微流体也是一个非常广泛和活跃的领域：科学网搜索返回了近20，000份出版物，但没有足够的文献和评论论文使用微流体作为教育工具2。有两篇有见地的，虽然过时的评论文章由莱格和芬琴科3，4。莱格向教育工作者介绍了芯片3上的实验室的想法。芬琴科指出了微流体教学实验室在科技工程数学（STEM）教育中的作用，并将哲学简化为"教授微流体"和"使用微流体"。Rackus、Ridel-Kruse和帕姆在2019年的一项最新评论指出，除了在性质上是跨学科的外，微流体也是一个非常实际的课题2。与微流体实践相关的实践活动使学生能够进行基于查询的学习，并使其成为科学交流和外联的引人入胜的工具。微流体确实在正式和非正式环境中为科学教育提供了很大的潜力，也是吸引和教育公众了解现代科学跨学科方面的理想"工具"。
低成本微通道设备、纸张微流体和数字微流体等是用于教育目的的理想工具。在这些平台中，数字微流体仍然深奥，缺乏基于数字微流体的同行评审报告。在这里，我们建议使用数字微流体作为教育工具有几个原因。首先，数字微流体与基于微通道的模式非常不同，因为它基于对液滴的操纵和水滴作为离散微维斯的使用。其次，水滴在相对通用的电极阵列平台上纵，因此数字微流体可以与微电子紧密结合。用户可以利用一套扩展的电子元件，现在非常方便自己动手的应用程序与液滴进行电子接口。因此，我们认为，数字微流体可以让学生体验这些独特的方面，并持开放的心态，不要过分坚持基于微渠道的低雷诺数字微流体1。
简言之，数字微流体领域主要基于电击现象，这是加布里埃尔·利普曼5，6首次描述的。最近的发展是由贝尔格在20世纪90年代初开始的。他的主要贡献是引入一个薄绝缘体，将导电液体与金属电极分离，以消除电解问题。这个想法被称为介电（EWOD）上的电湿。随后，数字微流体被几个先驱研究人员8，9推广。现在，在数字微流体10、11、12上已经证明了一系列应用，因此，有很多例子可用于教育环境。特别是，沿着低成本，自己做的数字微流体，阿卜杜勒加瓦德和惠勒以前曾报告低成本，快速原型的数字微流体13，14。福贝尔等人还报告DropBot为开源数字微流体控制系统15。Yafia等人还报告了基于3D打印部件和小型手机16的便携式数字微流体。阿里斯塔和高登兹还开发了电池供电的 OpenDrop 平台，该平台基于场效应晶体管阵列和直流执行17。
在这里，我们展示了一个基于商业来源的印刷电路板 （PCB） 的数字微流体教育套件，使用户能够组装并获得数字微流体的实践体验 （图 1）。从数字设计文件创建多氯联苯的收费服务是广泛的，因此，我们认为，只要数字设计文件可以共享，这是一个可行的低成本教育解决方案。精心选择组件和系统设计，以简化装配过程，并与用户的直观界面。因此，使用单板配置而不是双板配置，以避免需要顶板。组件和测试化学品都需要易于获得。例如，超市的食品包装用作我们工具包中的绝缘体。
为了证明我们的试剂盒的可行性，我们建议基于发光的化学发光进行特定的化学实验，并提供该协议。希望对化疗的视觉观察能激发学生的活力和兴奋。发光醇是一种在与H2O 2等氧化剂混合时表现出蓝色光泽的化学物质，通常用于法医检测血液18。在我们的实验室环境中，铁氰化钾是催化剂。发光醇与氢氧化物离子有反应，形成电化。随后，电离物与过氧化氢中的氧气发生反应，形成5-薄荷酸，电子处于兴奋状态，电子从兴奋状态放松到地面状态，导致光子在蓝光爆发时可见。
我们还报告了使用智能手机的荧光成像实验，以演示发光二极管 （LED） 作为激发光源的集成。最后，液滴蒸发是微流体中的一个问题，但很少得到解决。（从打开的基板 3 在 1 小时内丢失1μL 的水滴。我们使用基于高频压子传感器的雾化器将水转化为细雾。这创造了一个潮湿的环境，以防止液滴蒸发，并演示长期（~1小时）水滴激活。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61978/61978fig01.jpg"> 图1：EWOD 设置的原理图（ a） 用于为 EWOD 电极提供控制序列的微控制器。此外，湿度也得到控制。（b） 多氯联苯布局的原理图。标记了用于荧光成像的电极、LED、电阻器和场效应晶体管 （FET）。还显示了 1 厘米的尺度栏。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61978/61978fig01large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的更大版本。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61978/61978fig02.jpg"> 图2：工具包的顶部视图。 微控制器板、高压供应板、EWOD 多氯联苯、湿度传感器和雾化器均贴有标签。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61978/61978fig02large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的更大版本。</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acrylic enclosure</td>
			<td>LOCAL vendor</td>
			<td></td>
			<td>23cm x 20.5 cm x 6cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ardunion Uno</td>
			<td>Arduino</td>
			<td>UNO</td>
			<td>microcontroller board</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>acetic acid</td>
			<td>Sigma Alrich</td>
			<td>695092-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Breadboard</td>
			<td>MCIGICM</td>
			<td>400tie</td>
			<td>4 cm x 7 cm, 400 Points Solderless Breadboard, a pack of 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BSP89 H6327 Infineon MOSFET&#160;</td>
			<td>Mouser</td>
			<td>726-BSP89H6327</td>
			<td>drain soure breakdown voltage 240V,on resistance 4.2 ohm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>citrid acid</td>
			<td>sigma Alrich</td>
			<td>251275-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Color glass filter&#160;</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FGL 530</td>
			<td>color glass filter for fluorescent imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DHT11 temperature &#38; humidity sensor</td>
			<td>adafruit</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital multimeter&#160;</td>
			<td>Fluke</td>
			<td>17B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescein isothiocyanate isomer I</td>
			<td>sigma Alrich</td>
			<td>F7250-50MG</td>
			<td>50 mg price, fluorescent imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerol</td>
			<td>Sigma Alrich</td>
			<td>G9012-500ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High voltage power supply for Nixe tube</td>
			<td>Vaorwne</td>
			<td>NCH6100HV</td>
			<td>High voltage power max dc 235V</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LM2596 voltage booster circuit</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>boost voltage from 5V to 12 V</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luminol</td>
			<td>Sigma Alrich</td>
			<td>123072-5G</td>
			<td>5 g for $110</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pippet</td>
			<td>Thermal Fisher</td>
			<td></td>
			<td>1- 10 ul</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed circuit board&#160;</td>
			<td>Local vender</td>
			<td></td>
			<td>10 piece for $60</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic food wrap</td>
			<td>Kirkland</td>
			<td>Stretch-tite&#160;</td>
			<td>food wrap Plastic food wrap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium ferricynide</td>
			<td>Merck</td>
			<td>104982</td>
			<td>1 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1N Potassium hydroxide solution (1 mol/l)&#160;</td>
			<td>Scharlau&#160;</td>
			<td></td>
			<td>1 Liter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clear Office tape 3mm</td>
			<td>3M Scotch</td>
			<td></td>
			<td>semi-transparent, used as diffuser for illumination</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>salt</td>
			<td>Great Value Iodized Salt</td>
			<td></td>
			<td>6 oz for $7 salt from supermarket</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone oil (5Cst)</td>
			<td>Sigma Alrich</td>
			<td>317667-250ML</td>
			<td>top hydrophobic layer &#38; filling layer between electrode and insulator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sucrose</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>table sugar&#160; from any supermarket, 6 dollar per pound</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surface mount blue LED</td>
			<td>oznium</td>
			<td>3528</td>
			<td>Oznium 20 Pieces of PLCC-2 Surface Mount LEDs, 3528 Size SMD SMT LED - Blue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surface mount resistor 180k Ohm</td>
			<td>Balance World Inc</td>
			<td></td>
			<td>3mm x 6 mm 1watt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surface mount resistor 510Ohm</td>
			<td>Balance World Inc</td>
			<td></td>
			<td>bias resistor for LED, 3mmx6mm 1watt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water atomizer</td>
			<td>Grove&#160;</td>
			<td></td>
			<td>operating frequency 100 kHz&#160; supply votage 5V max 2W&#160; The kit comes with ultrasonic transducer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>high voltage transistor</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a versatile kit based on digital microfluidics droplet actuation for science education

本文描述了一个基于数字微流体的教育工具包。据报道，基于发光的化学发光实验协议是一个具体的例子。它还具有荧光成像能力和基于超声波雾化器的封闭式加湿外壳，以防止蒸发。该套件可在短时间内组装，电子和焊接培训最少。该套件允许本科生/研究生和爱好者以直观的方式获得微流体的实践经验，并接受培训，以熟悉数字微流体。

液滴激活是用智能手机记录的。化学发光和荧光成像的代表性结果显示在 图3 和 图4中。对于化学发光实验，10 μL铁氰化物的液滴被激活移动，并与目标电极上预先沉积的2μL液滴混合，如 图3所示。连续运动之间的时间段设置为 4 s，速度足够慢，便于观察。请注意，通过将发光溶液（与过氧化氢）与铁氰?...

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A Versatile Kit Based on Digital Microfluidics Droplet Actuation for Science Education

我们描述了一个教育工具包，允许用户执行多个实验，并获得数字微流体的实践经验。

基于数字微流体的多功能套件，用于科学教育

This paper describes an educational kit based on digital microfluidics. A protocol for luminol-based chemiluminescence experiment is reported as a ...

我们提供基于商业来源的印刷电路板的数字微流体教育套件，使用户能够亲身体验数字微流体。只要可以共享数字多氯联苯设计文件，这是一个可行的低成本教育解决方案。我们建议使用数字微流体作为教育工具，因为液滴在通用电极阵列平台上纵。用户可以利用一组扩展的电子元件，这些电子元件现在非常方便自己使用，以便与液滴进行电子接口。展示程序的将是杨实验室的研究生郭宇浩。首先将表面安装电阻器、晶体管和发光二极管焊接到PCB板上。将高压电源板的输出与焊接组件连接到多氯联苯板。然后将电池连接到电压助推器板，将电压从 6 伏提高到 12 伏。将湿度传感器、超声波压电雾化器和雾化器驱动板连接到微控制器板。使用所提供的补充代码打开微控制器。调整高压板的可变电阻，使用数字多米测量 EWOD 电极的电压。戴上干净的氮化物手套，使用微皮在电极区域涂抹 10 微升的 5 分石硅油。用手指均匀地将油铺在电极区域。切一块尺寸为2.5厘米的食品包装，放在电极顶部。使用微管在电极区域涂抹硅油，均匀分布。要进行化学发光实验，使用微皮在目标电极上放置两到五微升的发光溶液。将10微升0.1%的铁氰化钾放在电极上，电极可以作为电击液滴移动。打开微控制器，使铁氰化钾液滴与发光醇合并。对于荧光成像，切一平方厘米的半透明胶带，并将其放置在激发发光二极管和 EWOD 电极之间。用胶带将排放玻璃滤镜连接到智能手机的摄像头上，并将 10 微升的铁氰化钾溶液放在电极上。使用智能手机录制液滴激活的视频。对于长期液滴激活，将一毫升水放在超声波雾化器上。放置一滴铁氰化钾，然后打开微控制器。然后立即关闭外壳的盖子。一小时后检查液滴激活。此处显示了具有代表性的液滴运动。在化学发光实验中，铁氰化物液滴在12秒内被激活，与目标电极上预先沉积的发光液滴移动并混合。此处显示了 LED 作为激发光源的示意图设置、用作光扩散器的半透明透明办公胶带以及直接连接到智能手机摄像头的排放过滤器。在黑暗中含有荧光素异氰酸酯的液滴的荧光成像被视为半透明胶带的结果，作为扩散器，均匀地分配激发光。对于长期实验，可以观察到成功的液滴激活。此处显示了超声波雾化器作用下的代表性湿度数据。此协议可用于开发基于数字微流体的教育套件。据报道，一个基于发光的化学发光实验是一个具体的例子。该套件可在短时间内组装，电子产品培训最少。此处描述的简化实验可扩展到其他实验。例如，纸试剂盒可以通过将液滴移动到纸张上进行吸收来使用。还可添加带接口逻辑电路的微控制器，以提供更复杂的数字控制和可编程性。此协议可使非专业爱好者能够学习和应用电子产品，以进一步提升他们对该领域的知识。

Research

JoVE Journal

Engineering

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