Summary
Wir beschreiben ein Schulungspaket, mit dem Benutzer mehrere Experimente durchführen und praktische Erfahrungen mit digitaler Mikrofluidik sammeln können.
Abstract
Dieses Papier beschreibt ein Schulungspaket, das auf digitaler Mikrofluidik basiert. Als spezifisches Beispiel wird ein Protokoll für ein Luminol-basiertes Chemilumineszenzexperiment berichtet. Es hat auch fluoreszierende Bildgebungsfähigkeit und geschlossenbefeuchtetes Gehäuse auf Basis eines Ultraschallzerstäubers, um Verdunstung zu verhindern. Das Kit kann in kurzer Zeit und mit minimaler Ausbildung in Elektronik und Löten montiert werden. Das Kit ermöglicht es sowohl Studenten und Enthusiasten, praktische Erfahrungen in der Mikrofluidik auf intuitive Weise zu sammeln und geschult zu werden, um sich mit digitaler Mikrofluidik vertraut zu machen.
Introduction
Microfluidics ist ein hochgradig interdisziplinäres Feld, das Physik, Chemie, Biologie und Technik zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen von Femtoliter bis Mikroliter1. Mikrofluidik ist auch ein sehr breites und aktives Feld; eine Web of Science-Suche gibt fast 20.000 Publikationen zurück, und dennoch gibt es nicht genügend Literatur und Rezensionspapiere über die Verwendung von Mikrofluidik als pädagogisches Werkzeug2. Es gibt zwei aufschlussreiche, wenn auch veraltete Rezensionsartikel von Legge und Fintschenko3,4. Legge führt Pädagogen in die Idee eines Labors auf einem Chip3ein. Fintschenko wies auf die Rolle des Mikrofluidik-Lehrlabors in der Mint-Ausbildung (Science Technology Engineering Mathematics) hin und vereinfachte die Philosophien in "Mikrofluidik lehren" und "Mikrofluidik verwenden"4. Eine neuere Rezension von Rackus, Ridel-Kruse und Pamme im Jahr 2019 weist darauf hin, dass die Mikrofluidik nicht nur interdisziplinär ist, sondern auch ein sehr praktisches Thema2ist. Die praktische Aktivität im Zusammenhang mit der Praxis der Mikrofluidik verleiht den Studierenden forschungsbasiertes Lernen und macht es zu einem fesselnden Werkzeug für die Wissenschaftskommunikation und Öffentlichkeitsarbeit. Mikrofluidik bietet in der Tat viel Potenzial für die wissenschaftliche Bildung sowohl in formellen als auch in informellen Umgebungen und ist auch ein ideales "Werkzeug", um die breite Öffentlichkeit für den interdisziplinären Aspekt der modernen Wissenschaften zu begeistern und zu erziehen.
Beispiele wie kostengünstige Mikrokanalgeräte, Papiermikrofluidik und digitale Mikrofluidik sind ideale Werkzeuge für Bildungszwecke. Unter diesen Plattformen bleibt die digitale Mikrofluidik esoterisch, und es fehlen Berichte, die auf digitaler Mikrofluidik basieren,2. Hier schlagen wir vor, digitale Mikrofluidik aus mehreren Gründen als pädagogisches Instrument zu nutzen. Erstens unterscheidet sich die digitale Mikrofluidik sehr von mikrokanalbasierten Paradigmen, da sie auf der Manipulation der Tröpfchen und der Verwendung der Tröpfchen als diskrete Mikrogefäße basiert. Zweitens werden Tröpfchen auf relativ generischen Elektroden-Array-Plattformen manipuliert, so dass digitale Mikrofluidik eng mit Mikroelektronik gekoppelt werden kann. Benutzer können auf einen erweiterten Satz elektronischer Komponenten zugreifen, die jetzt für Heimwerkeranwendungen gut zugänglich sind, um die elektronische Schnittstelle mit Tröpfchen zu ermöglichen. Daher argumentieren wir, dass digitale Mikrofluidik es den Schülern ermöglichen kann, diese einzigartigen Aspekte zu erleben und aufgeschlossen zu sein, nicht übermäßig an Mikrokanal-basierter geringer Reynold-Anzahl mikrofluidics1festzuhalten.
Kurz gesagt, der Bereich der digitalen Mikrofluidik basiert weitgehend auf den Elektronässungsphänomenen, die zuerst von Gabriel Lippmann5,6beschrieben wurden. Die jüngsten Entwicklungen wurden von Berge In den frühen 1990er Jahreninitiiert 7. Sein Wichtigster Beitrag ist die Idee, einen dünnen Isolator einzuführen, um die leitfähige Flüssigkeit von metallischen Elektroden zu trennen, um das Problem der Elektrolyse zu beseitigen. Diese Idee wurde als Elektronässe auf Dielektrikum (EWOD) bezeichnet. In der Folge wurde die digitale Mikrofluidik von mehreren Pionierforschern bekannt gemacht8,9. Nun wurde eine umfassende Liste von Anwendungen, z.B. in der klinischen Diagnostik, Chemie und Biologie, zur digitalen Mikrofluidik10,11,12 nachgewiesen und somit stehen viele Beispiele für einen pädagogischen Rahmen zur Verfügung. Insbesondere auf der Linie der niedrigen Kosten, Do-it-yourself digitale Mikrofluidik, Abdelgawad und Wheeler haben zuvor berichtet low-cost, Rapid Prototyping der digitalen Mikrofluidik13,14. Fobel et al., hat auch Berichtet DropBot als Open-Source-Digital-Mikrofluid-Steuerungssystem15. Yafia et al., berichtete auch eine tragbare digitale Mikrofluidik auf Basis von 3D-gedruckten Teilen und kleineretelefon16. Alistar und Gaudenz haben auch die batteriebetriebene OpenDrop-Plattform entwickelt, die auf dem Feldeffekt-Transistor-Array und der DC-Betätigung17basiert.
Hier präsentieren wir ein digitales Mikrofluidik-Lernkit, das auf einer leiteritellen Leiterplatte (PCB) basiert, die es dem Benutzer ermöglicht, praktische Erfahrungen mit digitaler Mikrofluidik zu sammeln und zu sammeln (Abbildung 1). Die Gebühr für den Service zum Erstellen von Leiterplatten aus digitalen Designdateien ist weit verbreitet, und daher denken wir, dass es sich um eine praktikable kostengünstige Lösung für die Bildung handelt, vorausgesetzt, dass digitale Designdateien gemeinsam genutzt werden können. Die sorgfältige Auswahl der Komponenten und das Systemdesign werden getroffen, um den Montageprozess zu vereinfachen und eine Schnittstelle mit dem intuitiven Benutzer zu schaffen. Daher wird anstelle einer Zwei-Platten-Konfiguration eine Ein-Platten-Konfiguration verwendet, um eine Platte zu vermeiden. Sowohl die Komponenten als auch die Prüfchemikalien müssen leicht verfügbar sein. Zum Beispiel wird Lebensmittelverpackung aus dem Supermarkt als Isolator in unserem Kit verwendet.
Um die Machbarkeit unseres Kits zu beweisen, schlagen wir ein spezifisches Chemieexperiment vor, das auf der Chemilumineszenz von Luminol basiert, und stellen das Protokoll zur Verfügung. Die Hoffnung ist, dass die visuelle Beobachtung der Chemilumineszenz Studenten begeistern und begeistern kann. Luminol ist eine Chemikalie, die einen blauen Glanz aufweist, wenn sie mit einem Oxidationsmittel wieH2O2 gemischt wird und in der Regel in der Forensik verwendet wird, um Blut zu erkennen18. In unserem Labor dient Kaliumferricyanid als Katalysator. Luminol reagiert mit dem Hydroxid-Ion und bildet ein Dianion. Das Dianion reagiert anschließend mit Sauerstoff aus Wasserstoffperoxid, um 5-Aminophthalsäure mit Elektronen in einem angeregten Zustand zu bilden, und die Entspannung der Elektronen vom angeregten Zustand in den Bodenzustand führt zu Photonen, die als Blaulichtausbruch sichtbar sind.
Wir berichten auch über ein fluoreszierendes Bildgebungsexperiment mit einem Smartphone, um die Integration einer Leuchtdiode (LED) als Anregungslichtquelle zu demonstrieren. Schließlich ist die Tröpfchenverdunstung ein Problem in der Mikrofluidik, wird aber selten angegangen. (Ein Wassertröpfchen von 1 l geht innerhalb von 1 h von einem offenen Substrat3verloren.) Wir verwenden einen Zerstäuber auf Basis eines hochfrequenten Piezo-Wandlers, um Wasser in feinen Nebel umzuwandeln. Dadurch entsteht eine befeuchtete Umgebung, um eine Tröpfchenverdunstung zu verhindern, und zeigt eine langfristige (ca. 1 h) Tröpfchenbetätigung.
Abbildung 1:Schemata der EWOD-Einrichtung. (a) Ein Mikrocontroller wird verwendet, um der EWOD-Elektrode eine Regelsequenz zur Verfügung zu stellen. Auch die Luftfeuchtigkeit wird kontrolliert. (b) Schemata des Leiterplattenlayouts. Elektroden, LED für fluoreszierende Bildgebung, Widerstand und Feldeffekttransistoren (FET) sind gekennzeichnet. Maßstabsleiste von 1 cm wird ebenfalls angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2:Obere Ansicht des Kits. Mikrocontroller-Platine, Hochspannungs-Versorgungsplatine, EWOD-Leiterplatte, Feuchtesensor und Zerstäuber sind beschriftet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Protocol
1) Montage des digitalen Mikrofluidik-Kits
- Löten Sie die Oberflächenmontagewiderstände, Transistoren und Leuchtdioden auf die Leiterplatte gemäß den Schaltplänen in Abbildung 1b.
- Schließen Sie den Ausgang der Hochspannungs-Netzteilplatine mit gelöteten Komponenten an die Leiterplatte an (Abbildung 2 und Zusatzabbildung 1).
- Schließen Sie die Batterie an die Spannungsverstärkerplatine an, um die Spannung von 6 V auf 12 V zu erhöhen (Abbildung 2 und Zusatzabbildung 1).
- Schließen Sie die Hochspannungs-Versorgungsplatine an die Spannungsverstärkerplatine an, um die Spannung von 12 V auf 230 V zu erhöhen(Abbildung 2 und Zusatzabbildung 1).
- Schließen Sie den Feuchtigkeitssensor an die Mikrocontrollerplatine an. Schließen Sie den Ultraschall-Piezo-Zerstäubeniser und das Zerstäuber-Treiberboard an die Mikrocontrollerplatine an (Abbildung 2 und Ergänzende Abbildung 1).
- Legen Sie die gesamte Baugruppe in das Acrylgehäuse mit den Abmessungen 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
- Schalten Sie den Mikrocontroller mit dem Code (Supplementary Code) ein und verwenden Sie das digitale Multimeter, um die Spannung der EWOD-Elektrode zu messen, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung 230 V beträgt. Passen Sie den variablen Widerstand der Hochspannungs-Versorgungsplatine so an, dass die Ausgangsspannung 230 V beträgt(Zusatzabbildung 2).
2) Herstellung des Isolators auf dem Elektrodenarray
- Tragen Sie saubere Nitrilhandschuhe. Verwenden Sie eine Mikropipette, um silikonöl mit einem Wert von 10 °C 5 cSt auf den Elektrodenbereich aufzutragen und das Silikonöl gleichmäßig auf den Elektrodenbereich zu verteilen. Beachten Sie, dass das Silikonöl als Füllung zwischen Elektrode und Lebensmittel-Wrap-Isolator dient und Luftspalte zu vermeiden.
- Schneiden Sie ein Stück Lebensmittelfolie mit Abmessungen von ca. 2,5 cm x 4 cm und legen Sie es auf die Elektrode. Verwenden Sie die Mikropipette, um das Silikonöl mit einem Finger gleichmäßig zu verteilen. Beachten Sie, dass das Silikonöl als hydrophobe Schicht auf dem Isolator dient.
3) Chemilumineszenzexperiment auf Basis von Luminol
- Mischen Sie 0,25 g Luminol und 1,6 g NaOH in 25 ml entionisiertem Wasser in einem Becher mit einem Glasrührer, um eine Lösung zu erhalten.
- Mischen Sie 20 ml der Lösung aus dem vorherigen Schritt mit 20 ml 3% Wasserstoffperoxid.
- Verwenden Sie eine Mikropipette, um 2-5 l der Luminol-Lösung aus dem vorherigen Schritt auf die Zielelektrode zu legen.
- Verwenden Sie eine Mikropipette, um 10 l 0,1% mit Kaliumferricyanid auf die Elektrode zu legen. Beachten Sie, dass dies der Tröpfchen ist, der für die Elektrobenetzung bewegt werden soll.
- Schalten Sie den Mikrocontroller ein, um das 10-L-Tröpfchen Kaliumferricyanid zu bewegen, um mit dem Luminol zu verschmelzen.
4) Fluoreszierendes Bildgebungsexperiment
- Schneiden Sie ein Stück halbtransparentes Klebeband mit Maßen von 1 cm x 1 cm. Legen Sie das halbtransparente Band zwischen die Anregungsleuchtdiode und EWOD-Elektroden.
- Befestigen Sie den Emissionsfarbglasfilter mit Klebeband an der Kamera des Smartphones.
- Mischen Sie 2,5 mg Fluorescein isothiocyanat in wässriger Ethanollösung (3% w/w).
- Pipette 10 l der Lösung aus dem vorherigen Schritt auf einer der Elektroden.
- Schalten Sie den Mikrocontroller ein.
- Verwenden Sie das Smartphone, um ein Video der Tröpfchenbetätigung aufzunehmen.
5) Langzeit-Tröpfchen-Betätigungsexperiment mit Ultraschall-Zerstäuben
- 1 ml Wasser auf den Ultraschallzerstäuber legen. Beachten Sie, dass der Code geschrieben wird, um einen Schwellenwert-Feedback-Algorithmus zu verwenden, um eine Luftfeuchtigkeit von über 90 % beizubehalten.
- Legen Sie ein 10-L-Tröpfchen mit einer Mikropipette. Schalten Sie den Mikrocontroller ein und schließen Sie sofort den Deckel des Gehäuses.
- Warten Sie auf 1 h. Visuelle Überprüfung der Tröpfchenbetätigung.
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Representative Results
Die Tröpfchenbetätigung wird mit einem Smartphone aufgezeichnet. Repräsentative Ergebnisse für Chemilumineszenz und fluoreszierende Bildgebung sind in Abbildung 3 und Abbildung 4dargestellt. Für das Chemilumineszenzexperiment wird das Tröpfchen von 10 L Ferricyanid betätigt, um sich zu bewegen und mit vorgelagerten 2 L Tröpfchen auf der Zielelektrode zu mischen, wie in Abbildung 3dargestellt. Der Zeitraum zwischen der aufeinanderfolgenden Bewegung ist auf 4 s eingestellt, langsam genug für eine einfache Beobachtung. Beachten Sie, dass der Ausbruch von blauem Licht, das durch das Mischen von Luminol-Lösung (mit Wasserstoffperoxid) mit Kaliumferricyanid entsteht, auch unter Umgebungslicht mit bloßem Auge zu sehen ist. Für die in Abbildung 4dargestellte fluoreszierende Bildgebung muss das Experiment im Dunkeln durchgeführt werden. Das halbtransparente Band dient als Diffusor, um das Anregungslicht gleichmäßig auf das Tröpfchen zu verteilen. Das emittierte Licht aus der Fluoreszenz wird mit einem kostengünstigen Emissionsfilter gefiltert, der an der Smartphone-Kamera befestigt ist. Dieses Bildgebungsschema ist einfacher als das übliche dichroitische Spiegel-basierte Schema in einem typischen Benchtop-Fluoreszenzmikroskop. Bei einem Langzeitexperiment (ca. 1 h) kann eine erfolgreiche Tröpfchenbetätigung beobachtet werden, wie in Abbildung 5adargestellt. Abbildung 5b zeigt repräsentative Feuchtedaten unter Der Einwirkung eines Ultraschallzerstäubers. Wir messen auch den Tröpfchendurchmesser mit und ohne Zerstäuber. Ohne Zerstäuber schrumpft der Tröpfchendurchmesser von 4,0 mm auf 2,2 mm und das Volumen ändert sich bei Raumtemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit von 57 % von 10 l auf 6 l. Beim Zerstäuber schrumpft der Tröpfchendurchmesser von 4 mm auf 3,1 mm und das Volumen ändert sich bei Raumtemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit von 10 l auf 8 l.
Abbildung 3: Momentaufnahme der Tröpfchenbewegung und der chemischen Lumineszenz. Bei t = 12 s führt das Mischen von Luminol mit Kaliumferricyanid zu einem sichtbaren Ausbruch von blauem Licht. Maßstabsleiste von 1 cm wird ebenfalls angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Integration mit fluoreszierender Bildgebung. (a) Schematic des Setups. Eine LED dient als Lichtquelle für Dieregung. Ein halbtransparentes, klares Büroband dient als Lichtdiffusor. Der Emissionsfilter wird direkt an die Smartphone-Kamera angeschlossen. (b) Fluoreszierende Abbildung des Fluorescein-Isothiocyanats. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Tröpfchenbetätigung unter Feuchtigkeitskontrolle mit Ultraschallzerstäuber. (a) Momentaufnahme der Tröpfchenbewegung nach 1 h. Maßstabsleiste von 1 cm wird ebenfalls angezeigt. (b) Relative Luftfeuchtigkeit im Vergleich zur Zeit unter dem Einwirken des Ultraschallzerstäubers. Ein Pfeil zeigt an, dass der Zerstäuber aufgrund des Schwellenwertalgorithmus ausgeschaltet ist. Der Schwellenwert für die relative Luftfeuchtigkeit wird auf 90 % festgelegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 1: Verdrahtungsschemata. Mikrocontroller und Hochspannungs-Netzteil werden von einer Batterie angetrieben. Der gesamte Betrieb ist mit Mikrocontroller-Board orchestriert. Der Zerstäuber wird von der Treiberplatine aktiviert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 2: Hochspannungsschaltkreis. Zum Schalten der EWOD-Elektrode wird ein Hochspannungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit Widerstand verwendet. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Tabelle 1: Kostenschätzung der Komponenten unseres Kits. Die Stückkosten von Komponenten wie Transistoren, Widerständen und Leuchtdioden werden anhand des Massenpreises einer Packung von 10 bis 100 Komponenten geschätzt. Die Kosten sind nicht das benutzerdefinierte Acrylgehäuse. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Ergänzender Code: Benutzerdefiniertes Skript, um die Betätigung für die Tröpfchenbewegung und Ultraschallzerstäuber zu ermöglichen, um die Tröpfchenumgebung zu befeuchten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht es dem Leser, ein funktionierendes EWOD-System zur Tröpfchenbetätigung zusammenzustellen und zu testen und praktische Erfahrungen mit Mikrofluidik zu sammeln. Wir vermeiden bewusst teure Komponenten und chemische Proben. Derzeit kann ein Kit für 130 $ mit dem teuersten Bauteil optisches Farbglas für fluoreszierende Bildgebung und Mikrocontroller ohne das benutzerdefinierte Acrylgehäuse(Ergänzungstabelle 1) konstruiert werden. Zu einem solchen Preis sind auch eine fluoreszierende Bildgebung und eine aktive Feuchtigkeits-Umweltkontrolle auf Basis von Zerstäuber enthalten. (Ein typisches Fluoreszenzmikroskop kostet mehr als 1.50019USD und sogar ein kostengünstiges digitales Fluoreszenzmikroskop 300 USD.) Diese niedrigen Kosten machen unser Kit praktisch für eine große Bildungsumgebung. Zum Vergleich: Der Dropbot kostet derzeit 5.000USD 20 und die OpenDrop-Plattform 1.000USD 2. Eine Zusammenfassung des Vergleichs dieser Plattformen ist Tabelle 1zu finden.
| Vergleich zwischen Dropbot, OpenDrop und Education Kit | |||
| DropBot | OpenDrop | Bildungs-Kit | |
| Elektrodensubstrat | Glassubstrat | Pcb | Pcb |
| Beschichtungstechnik | Vakuumabscheidung | Dünnschicht und Öl | Lebensmittelverpackung und Öl |
| Betätigungssignal | ac (10kHz, typisch) | Dc | Dc |
| Fahrelektronik | HV-Verstärker und Relais-Array | Feldeffekttransistor | Feldeffekttransistor |
| Befeuchtete Umgebung | nichts | nichts | Ja. Mit Zerstäuber |
| Imaging-Fähigkeit | Externe Microscpe | Externe Microscpe | Ja. Mit Smart Phone |
| Kosten | 5.000 US-Dollar | 1.000 $ | $100 |
Tabelle 1: Vergleich zwischen Dropbot, OpenDrop und unserem Bildungskit.
Um die Machbarkeit der Nutzung unseres Bildungskits zu bewerten, haben wir 13 Studenten mit verschiedenen Hintergrundanstudien angefordert. Ihr Hauptfach umfasst Physik, Biologie, Chemietechnik, Medizin, Materialwissenschaften, Maschinenbau und Elektrotechnik. Wir versuchen bewusst, die Situation zu vermeiden, dass Studenten zu viel von der Elektrotechnik kommen und nur einen Studenten mit Hauptfach Elektrotechnik arrangieren. Wir haben sie angewiesen, Komponenten an die Leiterplatte zu löten und am Ende die Tröpfchenbetätigung auf unserem Kit innerhalb von 2 h zu testen. Kein Student außer einem aus der Elektrotechnik hat Bereitserfahrung mit dem Löten. Am Ende sammeln wir die Statistiken. Die Erfolgsquote liegt bei 62 %. Wir fanden heraus, dass das Löten der Oberflächenmontagekomponente der Engpassprozess der erfolgreichen Montage des Kits ist. Die allgemeine Richtlinie lautet wie folgt. Fintschenko wies darauf hin, dass Werkzeuge oder Experimente irgendwo im Spektrum zwischen einer Do-it-yourself-Grenze und der Black-Box-Grenze liegen. Mit zunehmender Ingenieurserfahrung auf Seiten der Studierenden, z.B. aus der Elektrotechnik, kann ein großteil der Laborsitzung den Do-it-yourself-Geschmack annehmen. Unerfahrene Studenten in Bezug auf elektroniknische Fähigkeiten wie Chemie, Biologie und Biochemie können jedoch einen Vorteil am Blackbox-Ende des Spektrums mit Kits ziehen, die von Dozenten vormontiert werden.
Als Referenz versuchen wir auch, den Parameterbereich von Flüssigtröpfchen zu ableiten, die verwendet werden können. Für die Größe haben wir das maximale und minimale Flüssigkeitsvolumen von 16 l bzw. 8 l bei einem Nennflüssigkeitsvolumen von 10 l getestet. Wir haben unsere Flüssigkeit auf wässrige Lösung beschränkt und vermeiden organische Lösungsmittel, um Korrosion von Polymer-Lebensmittel-Wrap-Isolator zu vermeiden. Wir haben auch allgemein verfügbare flüssige Systeme wie Tafelzucker und Salz ausgewählt, um eine Reihe von Parametern wie Ionenkonzentration, PH-Wert, Dichte und Viskosität abzudecken. Das Ergebnis ist in Tabelle 2zusammengefasst. Unter diesen Tests haben wir Glyzerin-Wasser-Gemisch als Mittel ausgewählt, um maximale Viskosität von Tröpfchen zu testen, während andere physikalische Eigenschaften wie Oberflächenspannung relativ konstant zu halten. Wir bestimmen den maximalen Gewichtsprozentsatz von Glycerin und die entsprechende Viskosität auf 40% und 3,5 cp21. Die maximale ionische Konzentration bis 1 M wird mit Natriumchlorid getestet. Der PH-Wert wird mit Acetat, Zitronensäure und KOH-Lösung getestet.
| Flüssiges System | Schlüsselparameter | Arbeitsbereich |
| Glycerin-Wassergemisch | Viskosität | Glycerin 40% gew. 3,5 cps |
| Saccharose im Wasser | Dichte | bis zu 60% gew.-% |
| Zitronensäure in Wasser verdünnt | PH-Wert | so niedrig wie PH=3 |
| Essigsäure | PH-Wert | so niedrig wie PH=4 |
| Koh | PH-Wert | so hoch wie PH= 11 |
| Natriumchlorid | Ionische Konzentrtion | 10 mM bis 1 M |
Tabelle 2: Bereich des Flüssigkeitssystems, Parameter und Arbeitsbereichs, der auf unserem Kit getestet wurde.
Hier diskutieren wir kurz die Physik für die Tröpfchenbetätigung. Mit Hilfe der elektromechanischen Ableitung kann die Antriebskraft in Abhängigkeit von Frequenz und Tröpfchenposition anhand der im System gespeicherten Energiekapazität aus der Differenzierung dieses Energiebegriffs abgeleitet werden. Für jede Gerätegeometrie/Flüssigkeitskombination kann eine kritische Frequenz, fc, berechnet werden21. Unterhalb dieser Frequenz reduziert sich die geschätzte Kraft auf die von der thermodynamischen Methode vorhergesagte. In diesem Regime entsteht die auf das Tröpfchen einwirkende Kraft aus Ladungen, die in der Nähe der dreiphasigen Kontaktleitung angesammelt werden, die elektrostatisch zur betätigten Elektrode gezogen wird. Über der kritischen Frequenz dominiert eine flüssigkeits-dielektrophoretische Kraft, um den Tröpfchen zur aktivierten Elektrode zu ziehen. In unserem Experiment verwenden wir dc-Betätigung und daher liegt die Operation unterhalb dieser kritischen Frequenz und daher wird die dreiphasige Kontaktleitung elektrostatisch zur betätigten Elektrode gezogen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Gesamtexperiment darauf abzielt, dem Leser eine praktische Exposition gegenüber digitaler Mikrofluidik zu geben. Genauer gesagt ermöglicht das Kit den Schülern, Optik, Elektronik und Fluidik zu lernen, so dass dieser Aspekt für jeden Laborkurs in Elektrotechnik und Maschinenbau auf der höheren Ebene geeignet ist. Auch das spezifische Chemilumineszenzexperiment kann in einem Chemie- oder Chemietechnik-Experimentalkurs auf der höheren Ebene eingesetzt werden. Während das hier beschriebene Experiment eine vereinfachte Version eines realen Szenarios ist, kann es auf einfache Weise auf andere Experimente erweitert werden. Beispielsweise kann man ein Papiertestkit koppeln und das Tröpfchen auf das zu adsorbierende Papier verschieben. Wir können auch einfach einen Mikroprozessor mit anderen interaktiven I/O-Geräten kombinieren, um eine anspruchsvollere digitale Steuerung und Programmierbarkeit zu bieten. Wir glauben, dass das Protokoll hier auch nicht-professionellen Enthusiasten zugute kommen kann, um Elektronik zu lernen und anzuwenden, um ihre Kenntnisse auf diesem Gebiet weiter zu erweitern.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Y. T. Y. möchte die finanzielle Unterstützung des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie unter den Fördernummern MOST 107-2621-M-007-001-MY3 und der National Tsing Hua University unter der Fördernummer 109Q2702E1 würdigen. Mark Kurban von der Edanz Group (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) hat einen Entwurf dieses Manuskripts herausgegeben.
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
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