Summary
نحن نصف مجموعة تعليمية تسمح للمستخدمين بتنفيذ تجارب متعددة واكتساب خبرة عملية على microfluidics الرقمية.
Abstract
تصف هذه الورقة مجموعة تعليمية تستند إلى المركبات الدقيقة الرقمية. يتم الإبلاغ عن بروتوكول لتجربة الوميلومينسينس المستندة إلى لومينول كمثال محدد. كما أن لديها القدرة على التصوير الفلورسنت والضميمة الرطبة مغلقة على أساس رذاذ بالموجات فوق الصوتية لمنع التبخر. ويمكن تجميع هذه المجموعة في غضون فترة قصيرة من الزمن ومع الحد الأدنى من التدريب في مجال الالكترونيات ولحام. تسمح هذه المجموعة لكل من طلاب المرحلة الجامعية / الدراسات العليا والمتحمسين بالحصول على خبرة العملية في microfluidics بطريقة بديهية ويتم تدريبهم على اكتساب الألفة مع microfluidics الرقمية.
Introduction
Microfluidics هو حقل متعدد التخصصات للغاية تمشيط الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا والهندسة للتلاعب في حجم صغير من السوائل التي تتراوح بين femtoliter إلى microliters1. كما أن ميكروفلويديك مجال واسع جدا ونشط؛ (أ) يرجع البحث في شبكة العلوم ما يقرب من 000 20 منشور، ومع ذلك لا توجد منشورات وورقات استعراض كافية بشأن استخدام المركبات الدقيقة كأداة تعليمية2. هناك نوعان من الثاقبة، وإن كانت قديمة مقالات الاستعراض من قبل Legge وFintschenko3،4. Legge يقدم المعلمين لفكرة مختبر على رقاقة3. وأشار فينتشنكو إلى دور مختبر تدريس microfluidics في تعليم الرياضيات الهندسية لتكنولوجيا العلوم (STEM) وتبسيط الفلسفات إلى "تعليم microfluidics" و "استخدام microfluidics"4. تشير مراجعة أحدث أجراها راكوس و Ridel-Kruse و Pamme في عام 2019 إلى أنه بالإضافة إلى كونه متعدد التخصصات في طبيعته ، فإن microfluidics هو أيضا موضوع عملي للغاية2. إن النشاط العملي المتعلق بممارسة microfluidics يضفي على الطلاب التعلم القائم على التحقيق ويجعل منه أداة جذابة للاتصالات العلمية والتوعية. والواقع أن المايكروفلويديس يوفر الكثير من الإمكانات لتعليم العلوم في البيئات الرسمية وغير الرسمية على حد سواء، وهو أيضا "أداة" مثالية لإثارة وتثقيف عامة الناس حول الجانب المتعدد التخصصات للعلوم الحديثة.
ومن الأمثلة على ذلك أجهزة القنوات الصغيرة المنخفضة التكلفة، والسوائل الدقيقة الورقية، والمايكروفلويديك الرقمية أدوات مثالية للأغراض التعليمية. من بين هذه المنصات ، لا تزال microfluidics الرقمية تقارير باطنية ومراجعة الأقران على أساس microfluidics الرقمية تفتقر إلى2. هنا نقترح استخدام microfluidics الرقمية كأداة تعليمية لعدة أسباب. أولا، تتميز المركبات الدقيقة الرقمية بشكل كبير عن النموذج القائم على القنوات الدقيقة لأنها تقوم على التلاعب بالقطرات واستخدام القطرات كmicrovessels منفصلة. ثانيا، يتم التلاعب بالقطرات على منصات عامة نسبيا لمجموعة الأقطاب الكهربائية بحيث يمكن أن تقترن المركبات الدقيقة الرقمية ارتباطا وثيقا بالإلكترونيات الدقيقة. يمكن للمستخدمين الاستفادة من مجموعة موسعة من المكونات الإلكترونية ، التي يمكن الوصول إليها الآن بشكل كبير لتطبيقات Do-it-yourself للتفاعل إلكترونيا مع القطرات. وبالتالي، فإننا نجادل بأن microfluidics الرقمية يمكن أن تسمح للطلاب لتجربة هذه الجوانب الفريدة وتكون منفتحة لا مفرطة في التمسك microchannel المستندة إلى انخفاض عدد رينولد microfluidics1.
باختصار، يستند مجال microfluidics الرقمية إلى حد كبير على الظواهر كهربة، والتي وصفت لأول مرة من قبل غابرييل ليبمان5،6. بدأت التطورات الأخيرة من قبل بيرغ في أوائل 1990s7. مساهمته الرئيسية هي فكرة إدخال عازل رقيقة لفصل السائل موصل من الأقطاب المعدنية للقضاء على مشكلة التحليل الكهربائي. وقد وصفت هذه الفكرة بأنها كهربة على عازلة (EWOD). في وقت لاحق ، تم تعميم microfluidics الرقمية من قبل العديد من الباحثين الرواد8،9. الآن قائمة شاملة من التطبيقات على سبيل المثال ، في التشخيص السريري والكيمياء والبيولوجيا ، وقد ثبت على microfluidicsالرقمية 10،11،12 ، وبالتالي ، الكثير من الأمثلة المتاحة لبيئة تعليمية. على وجه الخصوص ، على طول خط التكلفة المنخفضة ، افعل ذلك بنفسك microfluidics الرقمية ، عبد الغواد ويلر قد ذكرت سابقا منخفضة التكلفة ، والنماذج السريعة من microfluidicsالرقمية 13،14. فوبل وآخرون، كما ذكرت DropBot كمصدر مفتوح الرقمية microfluidic نظام التحكم15. Yafia وآخرون، كما ذكرت microfluidics الرقمية المحمولة على أساس الأجزاء المطبوعة 3D وأصغر هاتف16. وقد وضعت Alistar وG gaudenz أيضا منصة OpenDrop التي تعمل بالبطارية ، والتي تقوم على صفيف الترانزستور تأثير الحقل و DC التشغيل17.
هنا ، نقدم مجموعة تعليمية رقمية microfluidics على أساس لوحة الدوائر المطبوعة من مصادر تجارية (PCB) التي تسمح للمستخدم بتجميع والحصول على خبرة عملية مع microfluidics الرقمية(الشكل 1). الرسوم مقابل الخدمة لإنشاء PCB من ملفات التصميم الرقمي متاحة على نطاق واسع ، وبالتالي نعتقد أنه حل قابل للتطبيق منخفض التكلفة للتعليم شريطة أن ملفات التصميم الرقمي يمكن مشاركتها. يتم الاختيار الدقيق للمكونات وتصميم النظام لتبسيط عملية التجميع وجعل واجهة مع بديهية المستخدم. وبالتالي، يتم استخدام تكوين لوحة واحدة بدلا من تكوين لوحة اثنين لتجنب الحاجة إلى لوحة أعلى. كل من المكونات والمواد الكيميائية اختبار تحتاج إلى أن تكون متاحة بسهولة. على سبيل المثال ، يتم استخدام غلاف الطعام من السوبر ماركت كعازل في مجموعتنا.
لإثبات جدوى مجموعتنا، نقترح تجربة كيمياء محددة على أساس chemiluminescence من لومينول وتوفير البروتوكول. والأمل مع ذلك هو أن المراقبة البصرية للشيميلومينس يمكن أن تثير الطلاب وتثيرهم. Luminol هي مادة كيميائية تظهر توهجا أزرق عند خلطها مع عامل مؤأكسد مثل H2O2 وتستخدم عادة في الطب الشرعي للكشف عن الدم18. في بيئة مختبرنا ، يعمل فيريسيانيد البوتاسيوم كمحفز. لومينول يتفاعل مع أيون هيدروكسيد ويشكل ديانيون. يتفاعل الديانيون لاحقا مع الأكسجين من بيروكسيد الهيدروجين لتشكيل حمض أمينوفثاليك 5 مع الإلكترونات في حالة متحمسة ، ويؤدي استرخاء الإلكترونات من الحالة المتحمسة إلى الحالة الأرضية إلى فوتونات مرئية كتفجر من الضوء الأزرق.
كما نقوم بالإبلاغ عن تجربة تصوير فلورية باستخدام هاتف ذكي لإظهار تكامل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) كمصدر لضوء الإثارة. وأخيرا، فإن تبخر القطرات يمثل مشكلة في السوائل الدقيقة ولكن نادرا ما يتم التصدي له. (يتم فقدان 1 ميكرولتر من قطرة الماء في غضون 1 ساعة من الركيزة المفتوحة3.) نحن نستخدم رذاذ على أساس محول بيزو عالية التردد لتحويل المياه إلى ضباب ناعم. وهذا يخلق بيئة رطبة لمنع تبخر القطيرات ويوضح تشغيل القطيرات على المدى الطويل (~1 ساعة).
الشكل 1: تخطيطات EWOD إعداد. (أ) يتم استخدام متحكم دقيق لتوفير تسلسل التحكم إلى القطب EWOD. أيضا، يتم التحكم في الرطوبة. (ب)تخطيطات تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتم تسمية الأقطاب الكهربائية، LED للتصوير الفلوري، والمقاوم، و الترانزستورات تأثير الحقل (FET). كما يظهر شريط مقياس من 1 سم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: أعلى عرض للمجموعة. لوحة المتحكم الدقيق، لوحة إمدادات الجهد العالي، EWOD PCB، استشعار الرطوبة، وatosizer وصفت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1) تجميع مجموعة microfluidics الرقمية
- لحام المقاومات جبل السطح، الترانزستورات، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء على متن PCB وفقا للمخططات في الشكل 1b.
- توصيل مخرجات لوحة إمداد الطاقة عالية الجهد بلوحة PCB مع المكونات اللحامية(الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
- قم بتوصيل البطارية بلوحة تقوية الجهد لزيادة الجهد من 6 V إلى 12 V (الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
- توصيل لوحة العرض عالية الجهد إلى لوحة الداعم الجهد لزيادة الجهد من 12 V إلى ~ 230 V (الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
- قم بتوصيل مستشعر الرطوبة بلوحة التحكم الدقيقة. توصيل رذاذ بيزو بالموجات فوق الصوتية ولوحة سائق رذاذ إلى لوحة المتحكم الدقيق(الشكل 2 والشكل التكميلي 1).
- ضع التجميع بأكمله في حاوية الأكريليك ذات الأبعاد 23 سم × 20.5 سم × 6 سم.
- بدوره على المتحكم الدقيق مع رمز(رمز التكميلية)واستخدام multimeter الرقمية لقياس الجهد الكهربائي EWOD للتأكد من الجهد الناتج هو ~ 230 V. ضبط المقاوم المتغير من لوحة العرض عالية الجهد بحيث الجهد الناتج هو ~ 230 V (الشكل التكميلي 2).
2) إعداد عازل على صفيف القطب
- ارتداء قفازات نيتريل نظيفة. استخدام micropipette لتطبيق ~ 10 ميكرولتر من زيت السيليكون cSt 5 على منطقة القطب واستخدام إصبع لنشر زيت السيليكون بالتساوي على منطقة القطب. لاحظ أن زيت السيليكون بمثابة ملء بين القطب والغذاء التفاف عازل وتجنب أي airgap.
- قطع قطعة من التفاف الغذاء مع أبعاد ما يقرب من 2.5 سم × 4 سم ووضعها على رأس القطب. استخدام micropipette لتطبيق ~ 10 ميكرولتر من زيت السيليكون 5 cSt على منطقة القطب واستخدام إصبع لنشر زيت السيليكون بالتساوي. لاحظ أن زيت السيليكون بمثابة طبقة مسعورة فوق العازل.
3) تجربة Chemiluminescence على أساس لومينول
- مزيج 0.25 غرام من luminol و 1.6 غرام من NaOH في 25 مل من الماء deionized في كوب مع ستيرر الزجاج للحصول على حل.
- مزيج 20 مل من الحل من الخطوة السابقة مع 20 مل من بيروكسيد الهيدروجين 3٪.
- استخدام micropipette لوضع 2-5 ميكرولتر من محلول luminol من الخطوة السابقة على القطب الهدف.
- استخدام micropipette لوضع 10 ميكرولتر من 0.1٪ ث / ث البوتاسيوم فيريسيانيد على القطب الكهربائي. لاحظ أن هذه هي القطرة التي سيتم نقلها للكهربة.
- بدوره على المتحكم الدقيق لتحريك قطرة 10 ميكرولتر من فيريسيانيد البوتاسيوم لدمج مع لومينول.
4) تجربة التصوير الفلورسنت
- قطع قطعة من الشريط شبه شفافة مع أبعاد ~ 1 سم × 1 سم. ضع الشريط شبه الشفاف بين الصمام الثنائي الباعث للضوء وأقطاب EWOD.
- إرفاق فلتر الزجاج لون الانبعاثات على الكاميرا من الهاتف الذكي مع الشريط.
- مزيج 2.5 ملغ من ايزوثيوسيانات الفلورسين في الإيثانول المائي (3٪ ث / ث) الحل.
- ماصة ~ 10 μL من الحل من الخطوة السابقة على واحد من الأقطاب الكهربائية.
- قم بتشغيل المتحكم الدقيق.
- استخدم الهاتف الذكي لتسجيل فيديو عن تشغيل القطيرات.
5) تجربة تشغيل قطرة على المدى الطويل مع رذاذ الموجات فوق الصوتية
- ضع 1 مل من الماء على رذاذ الموجات فوق الصوتية. لاحظ أن التعليمات البرمجية مكتوبة لاستخدام خوارزمية ملاحظات العتبة للحفاظ على مستوى رطوبة أكثر من 90٪.
- ضع قطرة 10 ميكرولتر مع ميكروباينيت. قم بتشغيل المتحكم الدقيق واغلق غطاء الحاوية على الفور.
- انتظر ~ 1 ساعة. تحقق بصريا من تشغيل القطيرات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يتم تسجيل تشغيل القطيرات باستخدام هاتف ذكي. يتم عرض النتائج التمثيلية للتصوير chemiluminescence والفلورسنت في الشكل 3 والشكل 4. لتجربة chemiluminescence ، يتم تشغيل قطرة من 10 ميكرولتر ferricyanide للتحرك والاختلاط مع قطرة 2 ميكرولتر المودعة مسبقا على القطب المستهدف كما هو موضح في الشكل 3. ومن المقرر أن تكون الفترة الزمنية بين الحركة المتعاقبة 4 ق، بطيئة بما يكفي لسهولة الملاحظة. لاحظ أن انفجار الضوء الأزرق الناتج عن خلط محلول لومينول (مع بيروكسيد الهيدروجين) مع فيريسيانيد البوتاسيوم يمكن رؤيته بالعين المجردة حتى تحت الضوء المحيط. بالنسبة للتصوير الفلوري المعروض في الشكل 4، يجب إجراء التجربة في الظلام. الشريط شبه شفاف بمثابة الناشر لتوزيع بالتساوي ضوء الإثارة على القطيرات. يتم تصفية الضوء المنبعث من الفلورسينس مع فلتر انبعاثات منخفض التكلفة متصل بكاميرا الهاتف الذكي. نظام التصوير هذا أبسط من المخطط المعتاد القائم على المرآة الديكهروبية في مجهر مضان نموذجي على سطح المقعد. لتجربة طويلة الأجل (~ 1 ساعة) ، يمكن ملاحظة تنشيط قطرة ناجحة كما هو موضح في الشكل 5a. يظهر الشكل 5b بيانات الرطوبة التمثيلية تحت تأثير رذاذ الموجات فوق الصوتية. نحن أيضا قياس قطر قطر قطرها مع وبدون رذاذ. بدون رذاذ، يتقلص قطر القطر من 4.0 مم إلى 2.2 مم ويتغير الحجم من 10 ميكرولتر إلى 6 ميكرولتر في درجة حرارة الغرفة والرطوبة النسبية المحيطة بنسبة ~ 57٪. مع رذاذ، قطر قطرها من 4 ملم إلى 3.1 ملم وحجم التغييرات من 10 ميكرولتر إلى 8 ميكرولتر في درجة حرارة الغرفة والرطوبة النسبية المحيطة >90٪.
الشكل 3: لقطة من حركة القطيرات والتلألؤ الكيميائي. في ر = 12 ق، وخلط لومينول مع فيريسيانيد البوتاسيوم النتائج في انفجار مرئية من الضوء الأزرق. كما يظهر شريط مقياس من 1 سم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: التكامل مع القدرة على التصوير الفلورسنت. (أ) التخطيطي للإعداد. يعمل الصمام كمصدر للضوء للإثارة. شريط مكتب واضح شبه شفاف بمثابة الناشر الخفيفة. يتم توصيل فلتر الانبعاثات مباشرة بكاميرا الهاتف الذكي. (ب)التصوير الفلوري للقطرات التي تحتوي على ايزوثيوسيانات الفلورسين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: قطرات التشغيل تحت سيطرة الرطوبة مع رذاذ الموجات فوق الصوتية. (أ) لقطة من حركة قطرة بعد 1 ساعة. كما يظهر شريط مقياس من 1 سم. (ب)الرطوبة النسبية مقابل الوقت تحت عمل رذاذ الموجات فوق الصوتية. يشير السهم إلى أن الرذاذ مطفأ بسبب خوارزمية العتبة. يتم تعيين عتبة الرطوبة النسبية إلى 90٪. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل التكميلي 1: تخطيطات الأسلاك. يتم تشغيل المتحكم الدقيق ولوحة إمداد الطاقة ذات الجهد العالي بواسطة بطارية. يتم تنسيق جميع العمليات مع لوحة تحكم صغيرة. يتم تنشيط رذاذ من قبل لوحة السائق. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 2: دائرة تبديل الجهد العالي. ويستخدم الجهد العالي أكسيد المعادن أشباه الموصلات تأثير حقل الترانزستور (MOSFET) مع المقاوم للتبديل EWOD القطب. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الجدول التكميلي 1: تقدير تكلفة مكونات مجموعتنا. وتقدر تكلفة الوحدة لمكونات مثل الترانزستورات والمقاومات والصمامات الثنائية الباعثة للضوء من السعر السائب لحزمة مكونة من 10 إلى 100 مكون. تستثني التكلفة حاوية الأكريليك المخصصة. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول.
التعليمات البرمجية التكميلية: برنامج نصي مخصص لتمكين التشغيل لحركة القطيرات والرذاذ بالموجات فوق الصوتية لترطيب بيئة القطيرات. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يسمح الإجراء الموصوف هنا للقارئ بتجميع واختبار نظام EWOD يعمل على تشغيل القطيرات واكتساب خبرة عملية مع microfluidics. نحن عمدا تجنب المكونات باهظة الثمن والعينات الكيميائية. حاليا ، يمكن أن تكون مجموعة واحدة constructedfor ~ $ 130 مع العنصر أغلى يجري الزجاج اللون البصري للتصوير الفلورسنت والمتحكم الدقيق باستثناء الضميمة الاكريليك المخصصة (الجدول التكميلي 1). ولهذه التكلفة، تدرج أيضا قدرة تصوير فلورية وتحكم بيئي نشط في الرطوبة يستند إلى رذاذ. (المجهر الفلوري النموذجي يكلف أكثر من ~ 1500 $19، وحتى المجهر الفلوري الرقمي منخفض التكلفة يكلف 300 دولار).) هذه التكاليف المنخفضة تجعل مجموعتنا عملية لبيئة تعليمية واسعة النطاق. للمقارنة ، يكلف Dropbot حاليا ~ $ 500020 وتكاليف منصة OpenDrop ~ $ 10002. وترد في الجدول 1ملخص للمقارنة بين هذه المنصات.
| المقارنة بين دروببوت، أوبن دروب ومجموعة التعليم | |||
| دروب بوت | قطرة مفتوحة | مجموعة أدوات التعليم | |
| ركيزة القطب الكهربائي | ركيزة زجاجية | ثنائي الفينيل متعدد الكلور | ثنائي الفينيل متعدد الكلور |
| تقنية الطلاء | فراغ ترسب | رقيقة الفيلم والنفط | غلاف الطعام والزيت |
| إشارة التشغيل | ac (10 كيلو هرتز، نموذجي) | العاصمة | العاصمة |
| قيادة الالكترونيات | HV مكبر للصوت وترحيل الصفيف | الترانزستور تأثير الحقل | الترانزستور تأثير الحقل |
| بيئة رطبة | اي | اي | نعم. مع رذاذ |
| القدرة على التصوير | ميكروسسيب خارجي | ميكروسسيب خارجي | نعم. مع الهاتف الذكي |
| كلف | 5000 دولار | 1000 دولار | 100 دولار |
الجدول 1: المقارنة بين دروببوت، OpenDrop، ومجموعة التعليم لدينا.
لتقييم جدوى استخدام مجموعتنا التعليمية، قمنا بطلب 13 طالبا جامعيا من خلفية متنوعة. ويشمل تخصصهم الفيزياء والبيولوجيا والهندسة الكيميائية والطب وعلوم المواد والهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية. نحن نحاول عمدا تجنب الوضع الذي يأتي الطلاب بشكل مفرط من الهندسة الكهربائية وترتيب طالب واحد فقط مع تخصص في الهندسة الكهربائية. لقد أوعزنا لهم لمكونات لحام لPCB وفي نهاية اختبار قطرات التشغيل على عدة لدينا في غضون 2 ساعة. لا يوجد طالب باستثناء طالب واحد من الهندسة الكهربائية لديه خبرة سابقة في الحام. في النهاية، نقوم بجمع الإحصاءات. المعدل الناجح هو 62٪. وجدنا أن لحام عنصر جبل السطح هو عملية عنق الزجاجة من التجميع الناجح للمجموعة. المبدأ التوجيهي العام هو على النحو التالي. وأشار فينتشنكو إلى أن الأدوات أو التجارب تقع في مكان ما في الطيف بين حدود افعل ذلك بنفسك وحدود الصندوق الأسود. مع زيادة الخبرة الهندسية إلى جانب الطلاب ، على سبيل المثال ، من خلفية الهندسة الكهربائية ، يمكن أن يأخذ المزيد من جلسة المختبر نكهة افعل ذلك بنفسك. ومع ذلك ، يمكن للطلاب عديمي الخبرة من حيث مهارات الإلكترونيات مثل تلك المتعلقة بالكيمياء والبيولوجيا والكيمياء الحيوية الحصول على فائدة على نهاية الصندوق الأسود من الطيف مع مجموعات مجمعة مسبقا من قبل المدربين.
كمرجع، ونحن نحاول أيضا لتحديد نطاق المعلمة من قطرات السائل التي يمكن استخدامها. بالنسبة للحجم ، اختبرنا الحجم الأقصى والحد الأدنى من السائل ليكون 16 ميكرولتر و 8 ميكرولتر ، على التوالي مع حجم سائل اسمي يبلغ ~ 10 ميكرولتر مستخدم. لقد قصرنا سائلنا على محلول مائي وتجنب المذيبات العضوية لتجنب تآكل عازل غلاف الطعام البوليمري. كما اخترنا أنظمة سائلة شائعة مثل سكر المائدة والملح لتغطية مجموعة من المعلمات مثل التركيز الأيوني وقيمة PH والكثافة واللزوجة. وتلخص النتيجة في الجدول 2. من بين هذه الاختبارات، اخترنا خليط الماء الجلسرين كوسيلة لاختبار اللزوجة القصوى من قطرات مع الحفاظ على الخصائص الفيزيائية الأخرى مثل التوتر السطحي ثابت نسبيا. نحدد نسبة الوزن القصوى من الجلسرين واللزوجة المقابلة لتكون ~ 40٪ و 3.5 cp21. يتم اختبار التركيز الأيوني العمل الأقصى تصل إلى 1 M مع كلوريد الصوديوم. يتم اختبار قيمة PH مع خلات، حمض الستريك، والحل KOH.
| نظام سائل | المعلمة الرئيسية | نطاق العمل |
| خليط الماء الجلسرين | لزوجة | الجلسرين 40٪ wt أو 3.5 cps |
| السكروز في الماء | كثافة | حتى 60٪ wt |
| حمض الستريك المخفف في الماء | قيمة PH | منخفضة مثل PH = 3 |
| حمض الخليك | قيمة PH | منخفضة مثل PH = 4 |
| كوه | قيمة PH | يصل إلى PH = 11 |
| كلوريد الصوديوم | التزامن الأيوني | 10 م م إلى 1 م |
الجدول 2: مجموعة من النظام السائل، والمعلمات، ونطاق العمل اختبارها على عدة لدينا.
هنا ، نناقش بإيجاز الفيزياء المعنية لتحفيز القطيرات. باستخدام الاشتقاق الكهروميكاني، يمكن اشتقاق القوة الدافعة كدالة للتردد ووضع القطيرات استنادا إلى سعة الطاقة المخزنة في النظام من التمييز بين مصطلح الطاقة هذا. يمكن حساب التردد الحرج ، FC ، لكل هندسة جهاز / تركيبة سائلة21. وتحت هذا التردد، تقل القوة المقدرة إلى القوة التي تنبأت بها الطريقة الدينامية الحرارية. في هذا النظام ، تنشأ القوة التي تعمل على القطيرات من الشحنات المتراكمة بالقرب من خط الاتصال ثلاثي المراحل الذي يتم سحبه كهربائيا نحو القطب المحرك. فوق التردد الحرج ، تهيمن قوة عازلة سائلة لسحب القطرة نحو القطب المنشط. في تجربتنا ، نستخدم تشغيل dc وبالتالي فإن العملية أقل من هذا التردد الحرج وبالتالي يتم سحب خط الاتصال ثلاثي المراحل كهربائيا نحو القطب الكهربائي المحرك.
في الختام ، تم تصميم التجربة الشاملة لإعطاء القارئ التعرض العملي على microfluidics الرقمية. وبشكل أكثر تحديدا، تسمح هذه المجموعة للطلاب بتعلم البصريات والإلكترونيات والسيولة بحيث يكون هذا الجانب مناسبا لأي دورة مختبرية في الهندسة الكهربائية والهندسة الميكانيكية على المستوى الأعلى. كما يمكن استخدام تجربة chemiluminescence المحددة في دورة تجريبية للكيمياء أو الهندسة الكيميائية على المستوى الأعلى. في حين أن التجربة الموصوفة هنا هي نسخة مبسطة من سيناريو الحياة الحقيقية ، يمكن تمديدها بطريقة مباشرة إلى تجارب أخرى. على سبيل المثال، يمكن للمرء أن الزوجين عدة اختبار ورقة ونقل القطيرات إلى ورقة ليتم امتزازها. يمكننا أيضا الجمع بسهولة بين المعالج الدقيق وأجهزة الإدخال/إخراج تفاعلية أخرى لتوفير تحكم رقمي أكثر تطورا وقابلية للبرمجة. ونعتقد أن البروتوكول هنا يمكن أن يفيد أيضا المتحمسين غير المحترفين لتعلم وتطبيق الإلكترونيات لزيادة تقدم معرفتهم بالمجال.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
Y. T. Y. تود أن تعترف بدعم التمويل من وزارة العلوم والتكنولوجيا تحت أرقام المنح MOST 107-2621-M-007-001-MY3 وجامعة تينج هوا الوطنية تحت رقم المنحة 109Q2702E1. قام مارك قربان من مجموعة إدانز (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) بتحرير مسودة لهذه المخطوطة.
Materials
| 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 | |||
References
- Convery, N., Gadegaard, N.
- Rackus, D. G., Ridel-Kruse, I. H., Pamme, N. Learning on a chip: Microfluidics for formal and informal science education. Biomicrofluidics. 13, 041501 (2019).
- Legge, C. H. Chemistry under the microscope-Lab on a chip technologies. Journal of Chemical Education. 79, 173 (2002).
- Fintschenko, Y. Education: a modular approach to microfluidics in the teaching laboratory. Lab On A Chip. 11, 3394 (2011).
- Mugele, F., Baret, J. -C. Electrowetting: from basics to applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 17, 705-774 (2005).
- Lippmann, G. Relations entre les phenomenes electriques et capillary. Ann. Chim. Phys. 6, 494 (1875).
- Berge, B. Electrocapillarite et mouillge de films isolant par l'eau. C. R. Acad. Sci. II. 317, 157 (1993).
- Pollack, M. G., Fair, R. B., Shenderov, A. D. Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidics applications. Applied Physics Letters. 77, 1725 (2000).
- Lee, J., Kim, C. J. Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 171 (2000).
- Choi, K., Ng, A. H. C., Fobel, R., Wheeler, A. R.
- Jebrail, M. J., Wheeler, A. R. Let's get digital: digitizing chemical biology with microfluidics. Current Opinion in Chemical Biology. 14, 574-581 (2000).
- Pollack, M. G., Pamula, V. K., Srinivasan, V., Eckhardt, A. E. 2011. Applications of electrowetting-based digital microfluidics in clinical diagnostics. Expert Review of Molecular Diagnostics. 11, 393-407 (2011).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Rapid prototyping in copper substrates for digital microfluidics. Advanced Materials. 19 (1), 133-137 (2007).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Low-cost, rapid-prototyping of digital microfluidics devices. Microfluidics and Nanofluidics. 4, 349-355 (2008).
- Fobel, R., Fobel, C., Wheeler, A. R. DropBot: an open-source digital microfluidic control system with precise control of electrostatic driving force and instantaneous drop velocity measurement. Applied Physics Letters. 102, 193513 (2013).
- Yafia, M., Ahmadi, A., Hoorfar, M., Najjaran, H. Ultra-portable smartphone controlled integrated digital microfluidic system in a 3D-printed modular assembly. Micromachines. 6 (9), 1289-1305 (2015).
- Alistar, M., Gaudenz, U. OpenDrop: an integrated do-it-yourself platform for personal use of biochips. Bioengineering. 4 (2), 45 (2017).
- Khan, P., et al. Luminol-based chemiluminescent signals: clinical and non-clinical application and future uses. Applied Biochemistry and Biotechnology. 173 (2), 333-355 (2014).
- Agresti, J. J., et al. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (9), 4004-4009 (2010).
- Microfluidics. , Available from: https://microfluidics.utoronto.ca/dropbot/ (2020).
- Busnel, J. M., et al. Evaluation of capillary isoelectric focusing in glycerol-water media with a view to hydrophobic protein applications. Electrophoresis. 26, 3369-3379 (2005).
- Chatterjee, D., Shepherd, H., Garrell, R. L. Electromechanical model for actuating liquids in a two plate droplet microfluidic device. Lab On A Chip. 9, 1219-1229 (2009).
