Summary
אנו מתארים ערכה חינוכית המאפשרת למשתמשים לבצע ניסויים מרובים ולצבור ניסיון מעשי במיקרופלואידיקה דיגיטלית.
Abstract
מאמר זה מתאר ערכה חינוכית המבוססת על מיקרופלואידיקה דיגיטלית. פרוטוקול עבור ניסוי chemiluminescence מבוסס לומינול מדווח כדוגמה ספציפית. יש לו גם יכולת הדמיה פלואורסצנטית ומארז לח סגור המבוסס על אטומיזר קולי למניעת אידוי. ניתן להרכיב את הערכה בתוך פרק זמן קצר ועם הכשרה מינימלית באלקטרוניקה והלחמה. הערכה מאפשרת הן לסטודנטים לתארים מתקדמים והן לחובבים לקבל ניסיון מעשי במיקרופלואידיקה באופן אינטואיטיבי ולהיות מאומנים לרכוש היכרות עם מיקרופלואידיקה דיגיטלית.
Introduction
מיקרופלואידיקה (Microfluidics) הוא תחום בינתחומי ביותר הסורק פיזיקה, כימיה, ביולוגיה והנדסה לצורך מניפולציה של נפח קטן של נוזלים, החל מפטוליטר ועדמיקרוליטרים 1. מיקרופלואידיקה היא גם תחום רחב ופעיל מאוד; חיפוש באינטרנט של המדע מחזיר כמעט 20,000 פרסומים ובכל זאת אין מספיק ספרות וסקירה מאמרים על השימוש microfluidics ככלי חינוכי2. ישנם שני מאמרי סקירה בעלי תובנה, אם כי מיושנים של לגה ופינטשנקו3,4. לג מציגה למחנכים את הרעיון של מעבדה על שבב3. Fintschenko הצביע על התפקיד של מיקרופלואידיקה הוראת מעבדה בחינוך מתמטיקה הנדסת טכנולוגיה מדעית (STEM) ופישט את הפילוסופיות לתוך "ללמד microfluidics" ו "להשתמש microfluidics"4. סקירה עדכנית יותר של רקוס, רידל-קרוסה ופאם בשנת 2019 מציינת כי בנוסף להיותם בינתחומיים בטבע, מיקרופלואידיקה היא גם נושא מעשי מאוד2. הפעילות הידיים הקשורות לפרקטיקה של מיקרופלואידיקה מעניקה לתלמידים למידה מבוססת חקירה והופכת אותה לכלי מרתק לתקשורת מדעית וסיוע. מיקרופלואידיקה אכן מציעה פוטנציאל רב לחינוך מדעי הן במסגרות פורמליות והן במסגרות לא פורמליות והיא גם "כלי" אידיאלי להתלהב ולחנך את הציבור הרחב על ההיבט הבינתחומי של המדעים המודרניים.
דוגמאות כגון התקני מיקרו-ערוצים בעלות נמוכה, מיקרופלואידיקה של נייר ומיקרופלואידיקה דיגיטלית הם כלים אידיאליים למטרות חינוכיות. בין פלטפורמות אלה, מיקרופלואידיקה דיגיטלית נשאר דוחות אזוטריים ביקורת עמיתים המבוססים על microfluidics דיגיטלי חסרים2. כאן אנו מציעים להשתמש microfluidics דיגיטלי ככלי חינוכי מכמה סיבות. ראשית, מיקרופלואידיקה דיגיטלית נבדלת מאוד מפרדיגמה מבוססת מיקרו-ערוצים מכיוון שהיא מבוססת על מניפולציה של הטיפות ושימוש בטיפות כמיקרו-וסלים נפרדים. שנית, טיפות מתומרנות בפלטפורמות גנריות יחסית של מערך אלקטרודות, כך שניתן ל בשילוב אינטימי של מיקרופלואידיקה דיגיטלית עם מיקרואלקטרוניקה. משתמשים יכולים למנף על קבוצה מורחבת של רכיבים אלקטרוניים, עכשיו נגיש מאוד עבור יישומים לעשות זאת בעצמך ממשק אלקטרוני עם טיפות. לפיכך, אנו טוענים כי microfluidics דיגיטלי יכול לאפשר לתלמידים לחוות היבטים ייחודיים אלה ולהיות עם ראש פתוח לא יתר על המידה לדבוק microchannel מבוסס נמוך Reynold מספר microfluidics1.
בקצרה, תחום המיקרופלואידיקה הדיגיטלית מבוסס במידה רבה על תופעות האלקטרו-וטינג, שתוארו לראשונה על ידי גבריאל ליפמן5,6. ההתפתחויות האחרונות היו ביוזמת ברג בתחילת שנות התשעים7. תרומתו העיקרית היא הרעיון של החדרת מבודד דק כדי להפריד את הנוזל המוליכה מאלקטרודות מתכתיות כדי לחסל את הבעיה של אלקטרוליזה. רעיון זה נקרא אלקטרווטינג על דיאלקטרי (EWOD). לאחר מכן, microfluidics דיגיטלי היה פופולרי על ידי מספר חוקרים חלוציים8,9. עכשיו רשימה מקיפה של יישומים למשל, באבחון קליני, כימיה וביולוגיה, הוכח על microfluidics דיגיטלי10,11,12 ולכן, שפע של דוגמאות זמינים עבור הגדרה חינוכית. בפרט, לאורך הקו של עלות נמוכה, לעשות זאת בעצמך מיקרופלואידיקה דיגיטלית, Abdelgawad ו וילר דיווחו בעבר בעלות נמוכה, אב טיפוס מהיר של microfluidics דיגיטלי13,14. Fobel et al., דיווחה גם DropBot כמערכת בקרה מיקרופלואידית דיגיטלית קוד פתוח15. Yafia et al., דיווחה גם על מיקרופלואידיקה דיגיטלית ניידת המבוססת על חלקים מודפסים בתלת מימד וטלפון קטן יותר16. Alistar ו Gaudenz פיתחו גם את הסוללה מופעל OpenDrop פלטפורמה, אשר מבוסס על מערך טרנזיסטור אפקט השדה והפעלת DC17.
כאן, אנו מציגים ערכת חינוך מיקרופלואידית דיגיטלית המבוססת על לוח מעגלים מודפסים (PCB) ממקור מסחרי המאפשר למשתמש להרכיב ולקבל ניסיון מעשי עם מיקרופלואידיקה דיגיטלית (איור 1). תשלום עבור שירות כדי ליצור PCB מקבצי עיצוב דיגיטלי זמין באופן נרחב, ולכן אנו חושבים שזה פתרון בעלות נמוכה קיימא לחינוך בתנאי קבצי עיצוב דיגיטלי ניתן לשתף. בחירה קפדנית של רכיבים ועיצוב מערכת נעשית כדי לפשט את תהליך ההרכבה ולהפוך ממשק עם אינטואיטיבי של המשתמש. לפיכך, תצורה של לוח אחד משמשת במקום תצורה של שני לוחות כדי למנוע את הצורך בלוח עליון. הן הרכיבים והן כימיקלי הבדיקה צריכים להיות זמינים בקלות. לדוגמה, עטיפת מזון מהסופרמרקט משמשת כמבודד בערכה שלנו.
כדי להוכיח היתכנות של הערכה שלנו, אנו מציעים ניסוי כימיה ספציפי המבוסס על chemiluminescence של luminol ולספק את הפרוטוקול. התקווה היא כי התבוננות חזותית של chemiluminescence יכול להלהיב ולרגש את התלמידים. Luminol הוא כימיקל המציג זוהר כחול כאשר מעורבב עם סוכן חמצון כגון H2O2 והוא משמש בדרך כלל זיהוי פלילי כדי לזהותדם 18. בהגדרת המעבדה שלנו, אשלגן ברזל משמש כזרז. לומינול מגיב עם יון הידרוקסיד ויוצר דיאן. הדיאניון מגיב לאחר מכן עם חמצן ממי חמצן ליצירת חומצה 5 אמינופתלית עם אלקטרונים במצב נרגש, והרפיה של אלקטרונים מהמצב הנרגש למצב הקרקע גורמת לפוטונים הנראים כפרץ של אור כחול.
אנו מדווחים גם על ניסוי הדמיה פלואורסצנטית עם טלפון חכם כדי להדגים את השילוב של דיודה פולטת אור (LED) כמקור אור עירור. לבסוף, אידוי טיפות הוא בעיה microfluidics אבל הוא רק לעתים רחוקות מטופל. (1 μL של טיפת מים הולך לאיבוד בתוך 1 שעה ממצע פתוח3.) אנו משתמשים באטומיזר המבוסס על מתמר פיזו בתדר גבוה כדי להמיר מים לערפל דק. זה יוצר סביבה לחה כדי למנוע אידוי טיפה ומדגים לטווח ארוך (~ 1 h) הטיפה הפעלה.
איור 1: שרטוטים של הגדרת EWOD משמשים למיקרו-בקר כדי לספק רצף בקרה לאלקטרודה של EWOD. כמו כן, הלחות נשלטת. (ב)שרטוטים של פריסת PCB. אלקטרודות, LED להדמיה פלואורסצנטית, נגד ואפקט שדה טרנזיסטורים (FET) מסומנים. סרגל קנה מידה של 1 ס"מ מוצג גם. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תצוגה עליונה של הערכה. לוח מיקרו-בקרים, לוח אספקת מתח גבוה, PCB EWOD, חיישן לחות ואטומיזר מסומנים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1) הרכבת ערכת המיקרופלואידיקה הדיגיטלית
- הלחמה נגדי הרכבה על פני השטח, טרנזיסטורים ודיודות פולטות אור על לוח PCB על פי השרטוטים באיור 1b.
- חבר את התפוקה של לוח אספקת החשמל במתח גבוה ללוח ה- PCB עם רכיבים הלחמה (איור 2 ואיור משלים 1).
- חבר את הסוללה ללוח מאיץ המתח כדי להגביר את המתח מ- 6 V ל- 12 V (איור 2 ואיור משלים 1).
- חבר את לוח אספקת המתח הגבוה ללוח מאיץ המתח כדי להגביר את המתח מ- 12 V ל- ~ 230 V (איור 2 ואיור משלים 1).
- חבר את חיישן הלחות ללוח המיקרו-בקרים. חבר את אטומיזר הפיזו הקולי ולוח הנהגים של האטומיזר ללוח המיקרו-בקרים(איור 2 ואיור משלים 1).
- מניחים את כל ההרכבה לתוך המארז האקרילי של ממדים 23 ס"מ x 20.5 ס"מ x 6 ס"מ.
- הפעל את המיקרו-בקר עם הקוד(קוד משלים)והשתמש בריבוי המטרים הדיגיטלי כדי למדוד את המתח של אלקטרודת EWOD כדי לוודא שמתח היציאה הוא ~ 230 V. התאם את הנגד המשתנה של לוח אספקת המתח הגבוה כך שמתח היציאה הוא ~ 230 V(איור משלים 2).
2) הכנת מבודד על מערך האלקטרודה
- תלבש כפפות ניטריל נקיות. השתמש micropipette להחיל ~ 10 μL של 5 cSt שמן סיליקון על אזור האלקטרודה ולהשתמש באצבע כדי להפיץ את שמן הסיליקון באופן שווה על אזור האלקטרודה. שימו לב כי שמן הסיליקון משמש כמילוי בין אלקטרודה ומבודד לעטוף מזון כדי למנוע כל airgap.
- חותכים חתיכת לעטוף מזון עם מידות של כ 2.5 ס"מ x 4 ס"מ ומניחים אותו על גבי האלקטרודה. השתמש micropipette להחיל ~ 10 μL של 5 שמן סיליקון cSt על אזור האלקטרודה ולהשתמש באצבע כדי להפיץ את שמן הסיליקון באופן שווה. שים לב כי שמן הסיליקון משמש שכבה הידרופובית על גבי המבודד.
3) ניסוי צ'מילומינציה המבוסס על לומינול
- מערבבים 0.25 גרם של לומינול ו 1.6 גרם של NaOH ב 25 מל של מים deionized ב עם מערבל זכוכית כדי לקבל פתרון.
- מערבבים 20 מ"ל של הפתרון מהשלב הקודם עם 20 מ"ל של 3% מי חמצן.
- השתמש micropipette למקם 2-5 μL של פתרון luminol מהשלב הקודם על אלקטרודה היעד.
- השתמש micropipette למקם 10 μL של 0.1% w / w אשלגן ברזל על האלקטרודה. שים לב כי זוהי טיפה להיות מועבר עבור electrowetting.
- הפעל את המיקרו-בקר כדי להזיז את טיפת 10 μL של אשלגן פריציאניד להתמזג עם luminol.
4) ניסוי הדמיה פלואורסצנטית
- חותכים חתיכת סרט שקוף למחצה עם מידות של ~ 1 ס"מ x 1 ס"מ. הנח את הסרט השקוף למחצה בין הדיודה הפולטת אור עירור ואלקטרודות EWOD.
- חבר את מסנן הזכוכית בצבע פליטה במצלמה של הטלפון החכם עם קלטת.
- מערבבים 2.5 מ"ג של פלואורסצנטין isothiocyanate בתמיסת אתנול מימית (3% w /w).
- פיפטה ~ 10 μL של הפתרון מהשלב הקודם על אחת האלקטרודות.
- תדליק את המיקרו-בקר.
- השתמש בטלפון החכם כדי להקליט וידאו של מפעיל droplet.
5) ניסוי מפעיל טיפה לטווח ארוך עם אטומיזר קולי
- מניחים 1 מ"ל של מים על atomizer קולי. שים לב שהקוד נכתב כדי להשתמש באלגוריתם משוב סף כדי לשמור על רמת לחות מעל 90%.
- מניחים טיפה 10 μL עם מיקרופיפט. הפעל את המיקרו-בקר וסגור מיד את מכסה המארז.
- המתן ~ 1 שעה. בדוק באופן חזותי את ההפעלה של טיפה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מפעילות הטיפה נרשמת באמצעות טלפון חכם. באיור 3 ובאיור 4מוצגות תוצאות מייצגות להדמיה כימית ופלואורסצנטית . לניסוי המלילומינציה, הטיפה של 10 μL ferricyanide מופעלת כדי לנוע ולערבב עם טיפת μL שהופקדה מראש 2 μL על אלקטרודה היעד כפי שמוצג באיור 3. פרק הזמן בין תנועה רצופה מוגדר להיות 4 s, איטי מספיק לתצפית קלה. שים לב כי פרץ של אור כחול הנובע ערבוב פתרון לומינול (עם מי חמצן) עם אשלגן ferricyanide ניתן לראות בעין בלתי אפילו תחת אור הסביבה. להדמיה פלואורסצנטית המוצגת באיור 4, הניסוי צריך להתבצע בחושך. הקלטת השקופה למחצה משמשת כמפזרת כדי להפיץ באופן שווה את אור העירור על הטיפה. האור הנפלט מהפלואורסצנטיות מסונן עם מסנן פליטה בעלות נמוכה המחובר למצלמת הטלפון החכם. ערכת הדמיה זו היא פשוטה יותר מאשר ערכת המראה dichroic הרגיל מבוסס במיקרוסקופ פלואורסצנטי ספסל טיפוסי. בניסוי ארוך טווח (~ 1 h), ניתן לצפות בהפעלת טיפה מוצלחת כפי שמוצג באיור 5a. איור 5b מציג נתוני לחות מייצגים תחת הפעולה של אטומיזר קולי. אנו גם מודדים את קוטר הטיפה עם ובלי אטומיזר. ללא אטומיזר, קוטר הטיפה מתכווץ מ-4.0 מ"מ ל-2.2 מ"מ ונפח משתנה מ-10 מיקרו-ל"ל ל-6 מיקרו-ל' בטמפרטורת החדר ולחות יחסית סביבתית של ~ 57%. עם אטומיזר, קוטר הטיפה מתכווץ מ 4 מ"מ ל 3.1 מ"מ ונפח משתנה מ 10 μL ל 8 μL בטמפרטורת החדר ולחות יחסית הסביבה >90%.
איור 3: תמונת מצב של תנועת טיפות ובהירות כימית. ב t = 12 s, ערבוב של לומינול עם אשלגן ferricyanide תוצאות פרץ גלוי של אור כחול. סרגל קנה מידה של 1 ס"מ מוצג גם. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: שילוב עם יכולת דימות פלואורסצנטית. נורית משמשת כמקור האור להתרגשות. קלטת משרדית שקופה למחצה משמשת כמפזרת אור. מסנן הפליטה מחובר ישירות למצלמת הטלפון החכם. (ב)הדמיה פלואורסצנטית של הטיפה המכילה פלואורסצנט isothiocyanate. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: מפעילות טיפה תחת בקרת לחות עם atomizer קולי. (( א ) תמונה של תנועת טיפה לאחר 1 שעות. סרגל קנה מידה של 1 ס"מ מוצג גם. (ב)לחות יחסית לעומת זמן תחת הפעולה של atomizer קולי. חץ מציין שהאטומיזר כבוי בגלל אלגוריתם הסף. סף הלחות היחסית נקבע על 90%. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 1: שרטוטי חיווט. מיקרו-בקר ולוח אספקת חשמל במתח גבוה מופעלים באמצעות סוללה. כל הפעולה מתוזמרת עם לוח בקר מיקרו. האטומיזר מופעל על ידי לוח הנהגים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 2: מעגל מיתוג מתח גבוה. טרנזיסטור אפקט שדה מוליכים למחצה תחמוצת מתכת במתח גבוה (MOSFET) עם נגד משמש למתג אלקטרודה EWOD. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
טבלה משלימה 1: הערכת עלות של רכיבים בערכה שלנו. עלות היחידה של רכיבים כגון טרנזיסטורים, נגדים, דיודה פולטת אור מוערכים מהמחיר בצובר של חבילה של 10 עד 100 רכיבים. העלות אינה כוללת את המארז האקרילי המותאם אישית. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
קוד משלים: סקריפט מותאם אישית כדי לאפשר את ההפעלה עבור תנועת טיפה atomizer קולי לחות את הסביבה טיפה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ההליך המתואר כאן מאפשר לקורא להרכיב ולבדוק מערכת EWOD עובדת להפעלת טיפות ולצבור ניסיון מעשי עם מיקרופלואידיקה. אנו נמנעים במכוון מרכיבים יקרים ודגימות כימיות. נכון לעכשיו, ערכה אחת יכולה להיבנות עבור ~ $ 130 עם הרכיב היקר ביותר להיות זכוכית צבע אופטי עבור הדמיה פלואורסצנטית מיקרו בקרוילר למעט מארז אקריליק מותאם אישית(טבלה משלימה 1). עבור עלות כזו, יכולת הדמיה פלואורסצנטית ובקרה סביבתית לחות פעילה המבוססת על אטומיזר כלולה גם כן. (מיקרוסקופ פלואורסצנטי טיפוסי עולה יותר מ- ~ 1,500$ 19, ואפילו מיקרוסקופ פלואורסצנטי דיגיטלי בעלות נמוכה עולה $300.) עלויות נמוכות אלה הופכות את הערכה שלנו למעשית עבור סביבה חינוכית בקנה מידה גדול. לשם השוואה, Dropbot עולה כיום ~ $ 5,00020 ופלטפורמת OpenDrop עולה ~ $ 1,0002. סיכום של השוואה של פלטפורמות אלה ניתן בטבלה 1.
| בין דרופבוט, OpenDrop וערכת חינוך | |||
| דרופבוט | טיפת פתיחה | ערכת חינוך | |
| מצע אלקטרודה | מצע זכוכית | לוח המעגלים המודפסים | לוח המעגלים המודפסים |
| טכניקת ציפוי | תצהיר ואקום | סרט דק ושמן | עטיפת מזון ושמן |
| אות הבלטה | AC (10 קילו-הרץ, אופייני) | Dc | Dc |
| נהיגה אלקטרוניקה | מגבר HV ומערך ממסר | טרנזיסטור אפקט שדה | טרנזיסטור אפקט שדה |
| סביבה לחה | ללא | ללא | כן. עם אטומיזר |
| יכולת דימות | מיקרוסקפה חיצונית | מיקרוסקפה חיצונית | כן. עם טלפון חכם |
| עלות | $5,000 | $1,000 | $100 |
טבלה 1: שוויון בין Dropbot, OpenDrop וערכת החינוך שלנו.
כדי להעריך את היתכנות השימוש בערכה החינוכית שלנו, שידלנו 13 סטודנטים לתואר ראשון מרקע מגוון. ההתמחות כוללת פיזיקה, ביולוגיה, הנדסה כימית, רפואה, מדעי החומרים, הנדסת מכונות והנדסת חשמל. בכוונה אנחנו מנסים להימנע מהמצב שהסטודנטים מגיעים יותר מדי מהנדסת חשמל ולסדר רק סטודנט אחד עם תואר ראשון בהנדסת חשמל. הנחינו אותם להלחים רכיבים PCB ובסופו של דבר הבדיקה טיפה מפעילה על הערכה שלנו בתוך 2 שעות. לאף סטודנט מלבד אחד מהנדסת חשמל אין ניסיון קודם בהלחמה. בסופו של דבר, אנחנו אוספים את הסטטיסטיקה. השיעור המוצלח הוא 62%. גילינו כי הלחמה של רכיב הרכבה על פני השטח היא תהליך צוואר הבקבוק של הרכבה מוצלחת של הערכה. ההנחיה הכללית היא כדלקמן. פינצ'נקו ציין שכלים או ניסויים נופלים איפשהו בספקטרום שבין גבול עשה זאת בעצמך לגבול הקופסה השחורה. עם ניסיון הנדסי גובר בצד של התלמידים, למשל, מרקע הנדסי חשמל, יותר של הפגישה במעבדה יכול לקחת על הטעם עשה זאת בעצמך. עם זאת, תלמידים לא מנוסים במונחים של מיומנויות אלקטרוניקה כגון אלה על כימיה, ביולוגיה, ביוכימיה יכול להפיק יתרון על קצה הקופסה השחורה של הספקטרום עם ערכות preassembled על ידי מדריכים.
לעיון, אנחנו גם מנסים לתוות את טווח הפרמטרים של טיפות נוזלי שניתן להשתמש בהם. עבור הגודל, בדקנו את נפח נוזלי מקסימלית מינימלית להיות 16 μL ו 8 μL, בהתאמה עם נפח נוזלי נומינלי של ~ 10 μL מועסק. הגבלנו את הנוזל שלנו לפתרון מימית ולהימנע ממסים אורגניים כדי למנוע קורוזיה של מבודד מזון פולימרי לעטוף. בחרנו גם מערכות נוזליות זמינות נפוצות כגון סוכר שולחן ומלח כדי לכסות מגוון של פרמטרים כגון ריכוז יוני, ערך PH, צפיפות, צמיגות. התוצאה מסוכמת בטבלה 2. בין בדיקות אלה, בחרנו תערובת מים גליצרול כאמצעי לבחון צמיגות מקסימלית של טיפות תוך שמירה על תכונות פיזיקליות אחרות כגון מתח פני השטח קבוע יחסית. אנו קובעים את אחוז המשקל המקסימלי של גליצרול צמיגות המתאימה להיות ~ 40% ו 3.5 cp21. הריכוז היוני המקסימלי עד 1 מ' נבדק עם נתרן כלורי. ערך PH נבדק עם אצטט, חומצת לימון, פתרון KOH.
| מערכת נוזלית | פרמטר מפתח | טווח עבודה |
| תערובת מים גליצרול | צמיגות | גליצרול 40% wt או 3.5 cps |
| סוכרוז במים | צפיפות | עד 60% wt |
| חומצת לימון מדוללת במים | ערך PH | נמוך כמו PH =3 |
| חומצה אצטית | ערך PH | נמוך כמו PH =4 |
| Koh | ערך PH | גבוה ככל PH = 11 |
| נתרן כלורי | ריכוז יוני | 10 מ"מ עד 1 מ' |
טבלה 2: מגוון של מערכת נוזלית, פרמטרים וטווח עבודה שנבדקו בערכה שלנו.
כאן, אנו דנים בקצרה בפיזיקה המעורבת להפעלת טיפה. באמצעות הנגזרת האלקטרומכנית, כוח מניע כפונקציה של תדירות ותנוחת טיפה יכול להיגזר בהתבסס על קיבולת האנרגיה המאוחסנת במערכת מהבחנה של מונח אנרגיה זה. תדר קריטי, fc, ניתן לחשב עבור כל שילוב גיאומטריה / נוזלהמכשיר 21. מתחת לתדר זה, הכוח המשוער מצטמצם לזה שחזו השיטה התרמודינמית. במשטר זה, הכוח הפועל על הטיפה נובע מטענות שהצטברו ליד קו המגע התלת-פאזי שנמשך אלקטרוסטטית לכיוון האלקטרודה המופעלת. מעל התדר הקריטי, כוח נוזלי-דיאלקטרופורטי שולט כדי למשוך את הטיפה לכיוון האלקטרודה הפעילה. בניסוי שלנו, אנו משתמשים בהפעלת DC ולכן הפעולה נמצאת מתחת לתדר קריטי זה ולכן קו המגע התלת-שלבי נמשך אלקטרוסטטית לכיוון האלקטרודה המופעלת.
לסיכום, הניסוי הכולל נועד להעניק לקורא חשיפה מעשית למיקרופלואידיקה דיגיטלית. ליתר דיוק, הערכה מאפשרת לתלמידים ללמוד אופטיקה, אלקטרוניקה ונוזלים ולכן היבט זה מתאים לכל קורס מעבדה בהנדסת חשמל והנדסת מכונות ברמה הבכירה. כמו כן, ניתן להעסיק את הניסוי הספציפי בכימיה או בהנדסה כימית ברמה הבכירה. בעוד הניסוי המתואר כאן הוא גרסה פשוטה של תרחיש בחיים האמיתיים, זה יכול להיות מורחב בצורה פשוטה לניסויים אחרים. לדוגמה, ניתן לצמד ערכת בדיקת נייר ולהעביר את הטיפה לנייר כדי לספיחת נייר. אנחנו יכולים גם לשלב בקלות מיקרו מעבד עם התקני קלט/פלט אינטראקטיביים אחרים כדי לספק בקרה דיגיטלית מתוחכמת יותר ויכולת תכנות. אנו מאמינים כי הפרוטוקול כאן יכול גם להועיל לחובבים שאינם מקצועיים ללמוד וליישם אלקטרוניקה כדי לקדם עוד יותר את הידע שלהם בתחום.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
Y. T. Y. רוצה להכיר בתמיכת מימון ממשרד המדע והטכנולוגיה תחת מספרי המענקים ביותר 107-2621-M-007-001-MY3 ואוניברסיטת צינג הואה הלאומית תחת מענק מספר 109Q2702E1. מארק קורבן מקבוצת אדנז (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) ערך טיוטה של כתב יד זה.
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).
