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Engineering

विज्ञान शिक्षा के लिए डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स ड्रॉपलेट एक्ट्यूएशन पर आधारित एक बहुमुखी किट

Published: April 26, 2021 doi: 10.3791/61978
Automatic Translation
1, 1, 1
1Electrical Engineering, National Tsing Hua University

Summary

हम एक शैक्षिक किट का वर्णन करते हैं जो उपयोगकर्ताओं को कई प्रयोगों को निष्पादित करने और डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स पर अनुभव प्राप्त करने की अनुमति देता है।

Abstract

यह पेपर डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स पर आधारित एक एजुकेशनल किट का वर्णन करता है । ल्यूमिनॉल-आधारित रसायनिनेसेंस प्रयोग के लिए एक प्रोटोकॉल एक विशिष्ट उदाहरण के रूप में सूचित किया गया है। इसमें फ्लोरोसेंट इमेजिंग क्षमता भी है और वाष्पीकरण को रोकने के लिए अल्ट्रासोनिक एटमाइजर के आधार पर बंद आर्द्रीकृत बाड़े हैं। किट को थोड़े समय के भीतर और इलेक्ट्रॉनिक्स और टांका में न्यूनतम प्रशिक्षण के साथ इकट्ठा किया जा सकता है। यह किट स्नातक/स्नातक दोनों छात्रों और उत्साही लोगों को सहज तरीके से माइक्रोफ्लुइडिक्स में अनुभव प्राप्त करने और डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स के साथ अपनेपन को प्राप्त करने के लिए प्रशिक्षित करने की अनुमति देती है ।

Introduction

माइक्रोफ्लुइडिक्स एक अत्यधिक अंतःविषय क्षेत्र है जो भौतिकी, रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान और इंजीनियरिंग को फेमोलीटर से लेकर माइक्रोलीटर1तक तरल पदार्थों की छोटी मात्रा में हेरफेर के लिए जोड़ता है। माइक्रोफ्लुइडिक्स भी एक बहुत व्यापक और सक्रिय क्षेत्र है; विज्ञान खोज का एक वेब लगभग 20,000 प्रकाशनों को लौटाता है और फिर भी शैक्षिक उपकरण के रूप में माइक्रोफ्लूइडिक्स के उपयोग पर अपर्याप्त साहित्य और समीक्षा पत्र है2। लेग और फिनत्चेंको3,4द्वारा दोव्यावहारिक,हालांकि पुरानी समीक्षा लेख हैं। Legge एक चिप3पर एक प्रयोगशाला के विचार के लिए शिक्षकों का परिचय । फिनत्सचेंको ने विज्ञान प्रौद्योगिकी इंजीनियरिंग गणित (स्टेम) शिक्षा में माइक्रोफ्लुइडिक्स शिक्षण प्रयोगशाला की भूमिका को बताया और दर्शन को "माइक्रोफ्लुइडिक्स सिखाएं" और "माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग करें"4में सरल बनाया । 2019 में रैकस, रिज़ल-क्रूस और पामे द्वारा हाल ही में की गई समीक्षा बताती है कि प्रकृति में अंतःविषय होने के अलावा, माइक्रोफ्लुइडिक्स भी विषय2पर एक बहुत ही हाथ है। माइक्रोफ्लुइडिक्स के अभ्यास से संबंधित हाथ से गतिविधि छात्रों को जांच आधारित सीखने के लिए उधार देती है और इसे विज्ञान संचार और आउटरीच के लिए एक आकर्षक उपकरण बनाती है । Microfluidics वास्तव में दोनों औपचारिक और अनौपचारिक सेटिंग्स में विज्ञान शिक्षा के लिए बहुत क्षमता प्रदान करता है और यह भी एक आदर्श "उपकरण" को उत्साहित और आधुनिक विज्ञान के अंतःविषय पहलू के बारे में आम जनता को शिक्षित है ।

कम लागत वाले माइक्रोचैनल उपकरण, पेपर माइक्रोफ्लुइडिक्स और डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स जैसे उदाहरण शैक्षिक उद्देश्यों के लिए आदर्श उपकरण हैं। इन प्लेटफार्मों में, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स रहता है और डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स पर आधारित रिपोर्टों की समीक्षा की जाती है2की कमी है। यहां हम कई कारणों से डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स को एक शैक्षिक उपकरण के रूप में उपयोग करने का प्रस्ताव करते हैं। सबसे पहले, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स माइक्रोचैनल-आधारित प्रतिमान से बहुत अलग है क्योंकि यह बूंदों के हेरफेर और अपसतूप माइक्रोवेसेल के रूप में बूंदों के उपयोग पर आधारित है। दूसरा, बूंदों को अपेक्षाकृत जेनेरिक इलेक्ट्रोड-ऐरे प्लेटफार्मों पर हेरफेर किया जाता है, इसलिए डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स को माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स के साथ घनिष्ठ रूप से युग्मित किया जा सकता है। उपयोगकर्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के एक विस्तारित सेट पर लाभ उठा सकते हैं, अब बूंदों के साथ इलेक्ट्रॉनिक रूप से इंटरफेस करने के लिए अपने आप को अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक सुलभ हैं। इसलिए, हम तर्क देते हैं कि डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स छात्रों को इन अद्वितीय पहलुओं का अनुभव करने और माइक्रोचैनल-आधारित कम रेनॉल्ड नंबर माइक्रोफ्लुइडिक्स1से चिपके रहने के लिए खुले दिमाग वाले नहीं हो सकते हैं।

संक्षेप में, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स का क्षेत्र काफी हद तक विद्युतपरक घटना पर आधारित है, जिसे पहले गेब्रियल लिपमैन5,6द्वारा वर्णित किया गया था। हाल के घटनाक्रम की शुरुआत 1990 के दशक की शुरुआत7में बर्ज ने की थी . उनका प्रमुख योगदान इलेक्ट्रोलिसिस की समस्या को खत्म करने के लिए धातु इलेक्ट्रोड से प्रवाहकीय तरल को अलग करने के लिए एक पतली इंसुलेटर शुरू करने का विचार है। इस विचार को इलेक्ट्रिक (ईडब्ल्यूओडी) पर इलेक्ट्रोवेटिंग करार दिया गया है। इसके बाद, डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स को कई अग्रणी शोधकर्ताओं द्वारा लोकप्रिय बनाया गया था8,9। अब उदाहरण के लिए, नैदानिक निदान, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान में अनुप्रयोगों कीएक व्यापक सूची, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स10, 11,12 पर साबित हुई है और इसलिए, शैक्षिक सेटिंग के लिए बहुत सारे उदाहरण उपलब्ध हैं। विशेष रूप से, कम लागत की रेखा के साथ, अपने आप को डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स, अब्देलगावाड़ और व्हीलर ने पहले कम लागत, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स13, 14की तेजी से प्रोटोटाइप की सूचना दी है। फोबेल एट अल ने ड्रॉपबॉट को ओपन सोर्स डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक कंट्रोल सिस्टम15के रूप में भी बताया है । याफिया एट अल ने 3डी प्रिंटेड पार्ट्स और छोटे फोन16के आधार पर पोर्टेबल डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स की भी सूचना दी । अलीस्टार और गौडेन्ज़ ने बैटरी संचालित ओपनड्रॉप प्लेटफॉर्म भी विकसित किया है, जो फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर सरणी और डीसी एक्ट्यूएशन17पर आधारित है।

यहां, हम व्यावसायिक रूप से सोर्स किए गए मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) के आधार पर एक डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स एजुकेशनल किट पेश करते हैं जो उपयोगकर्ता को डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स(चित्रा 1)के साथ हाथ से अनुभव प्राप्त करने और प्राप्त करने की अनुमति देता है। डिजिटल डिजाइन फ़ाइलों से पीसीबी बनाने के लिए शुल्क-सेवा व्यापक रूप से उपलब्ध है, और इसलिए हमें लगता है कि यह शिक्षा के लिए एक व्यवहार्य कम लागत वाला समाधान है बशर्ते कि डिजिटल डिजाइन फ़ाइलों को साझा किया जा सके। विधानसभा प्रक्रिया को सरल बनाने और उपयोगकर्ता के सहज ज्ञान युक्त के साथ एक इंटरफेस बनाने के लिए घटकों और सिस्टम डिजाइन का सावधानीपूर्वक विकल्प बनाया गया है। इसलिए, एक शीर्ष प्लेट की आवश्यकता से बचने के लिए दो प्लेट विन्यास के बजाय एक प्लेट विन्यास का उपयोग किया जाता है। दोनों घटकों और परीक्षण रसायनों को आसानी से उपलब्ध होने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, सुपरमार्केट से भोजन लपेटो हमारी किट में इंसुलेटर के रूप में प्रयोग किया जाता है ।

हमारी किट की व्यवहार्यता साबित करने के लिए, हम ल्यूमिनॉल के रसायनसूमिनेसेंस के आधार पर एक विशिष्ट रसायन विज्ञान प्रयोग का सुझाव देते हैं और प्रोटोकॉल प्रदान करते हैं। आशा है कि रसायनीय के दृश्य अवलोकन छात्रों को उत्साहित और उत्तेजित कर सकते हैं । ल्यूमिनॉल एक रसायन है जो एच2ओ 2 जैसे ऑक्सीकरण एजेंट के साथ मिश्रित होने पर नीली चमक प्रदर्शित करता है और आमतौर पर रक्तका पता लगाने के लिए फोरेंसिक में प्रयोग किया जाता है18. हमारी प्रयोगशाला सेटिंग में, पोटेशियम फेरिक्यानाइड उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है। ल्यूमिनॉल हाइड्रोक्साइड आयन के साथ प्रतिक्रिया करता है और एक डायनियन बनाता है। डायनियन बाद में हाइड्रोजन पेरोक्साइड से ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है ताकि एक उत्साहित राज्य में इलेक्ट्रॉनों के साथ 5-अमीनोफैथैलिक एसिड बन सके, और उत्तेजित राज्य से जमीनी स्थिति में इलेक्ट्रॉनों की छूट के परिणामस्वरूप नीली रोशनी के फटने के रूप में फोटॉन दिखाई देता है।

हम एक उत्तेजन प्रकाश स्रोत के रूप में प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) के एकीकरण को प्रदर्शित करने के लिए एक स्मार्ट फोन के साथ फ्लोरोसेंट इमेजिंग प्रयोग की भी रिपोर्ट करते हैं। अंत में, बूंद वाष्पीकरण माइक्रोफ्लुइडिक्स में एक समस्या है, लेकिन शायद ही कभी संबोधित किया जा रहा है । (एक खुले सब्सट्रेट 3 से 1 घंटे के भीतर पानी की बूंद का 1माइक्रोलखो जाता है ।) हम पानी को ठीक धुंध में बदलने के लिए उच्च आवृत्ति पीजो ट्रांसड्यूसर के आधार पर एक परमाणु का उपयोग करते हैं। यह बूंद वाष्पीकरण को रोकने के लिए एक आर्द्र वातावरण बनाता है और दीर्घकालिक (~ 1 एच) बूंद एक्ट्यूएशन को दर्शाता है।

Figure 1
चित्रा 1:ईडब्ल्यूओडी स्थापित की योजनाबद्धताएं। (क) ईडब्ल्यूओडी इलेक्ट्रोड को नियंत्रण अनुक्रम प्रदान करने के लिए माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग किया जाता है। साथ ही उमस को भी नियंत्रित किया जाता है। (ख)पीसीबी लेआउट की योजनाबद्धताएं । इलेक्ट्रोड, फ्लोरोसेंट इमेजिंग, प्रतिरोधक, और क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (FET) के लिए एलईडी लेबल हैं। 1 सेमी का स्केल बार भी दिखाया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2:किट का शीर्ष दृश्य। माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड, हाई वोल्टेज सप्लाई बोर्ड, ईडब्ल्यूओडी पीसीबी, आर्द्रता सेंसर, और एटमाइजर लेबल किए गए हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Protocol

1) डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स किट कोडांतरण

  1. मिलाप सतह माउंट प्रतिरोधक, ट्रांजिस्टर, और प्रकाश उत्सर्जक डायोड पीसीबी बोर्ड पर चित्रा 1bमें योजनाबद्ध के अनुसार ।
  2. सोल्डर घटकों(चित्रा 2 और अनुपूरक चित्रा 1)के साथ पीसीबी बोर्ड के लिए उच्च वोल्टेज बिजली आपूर्ति बोर्ड के उत्पादन कनेक्ट करें ।
  3. 6 वी से 12 वी(चित्रा 2 और अनुपूरक चित्रा1) तक वोल्टेज को बढ़ावा देने के लिए बैटरी को वोल्टेज बूस्टर बोर्ड से कनेक्ट करें।
  4. 12 वी से ~230 वी(चित्रा 2 और अनुपूरक चित्रा1) तक वोल्टेज को बढ़ावा देने के लिए हाई-वोल्टेज सप्लाई बोर्ड को वोल्टेज बूस्टर बोर्ड से कनेक्ट करें।
  5. आर्द्रता सेंसर को माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड से कनेक्ट करें। अल्ट्रासोनिक पीजो एटमाइजर और एटमाइजर ड्राइवर बोर्ड को माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड(चित्रा 2 और अनुपूरक चित्रा 1)से कनेक्ट करें।
  6. आयामों के ऐक्रेलिक बाड़े में पूरी विधानसभा रखें 23 सेमी x 20.5 सेमी x 6 सेमी।
  7. कोड(अनुपूरक कोड)के साथ माइक्रोकंट्रोलर चालू करें और यह सुनिश्चित करने के लिए ईडब्ल्यूडी इलेक्ट्रोड के वोल्टेज को मापने के लिए डिजिटल मल्टीमीटर का उपयोग करें ताकि आउटपुट वोल्टेज ~ 230 वी हो। हाई-वोल्टेज सप्लाई बोर्ड के वेरिएबल रेजोर्जेटर को समायोजित करें ताकि आउटपुट वोल्टेज ~ 230 वी(अनुपूरक चित्रा 2)हो।

2) इलेक्ट्रोड सरणी पर इंसुलेटर की तैयारी

  1. साफ नाइट्राइल दस्ताने पहनें। इलेक्ट्रोड क्षेत्र पर 5 सीएसटी सिलिकॉन तेल के ~ 10 माइक्रोन लागू करने के लिए एक माइक्रोपिपेट का उपयोग करें और इलेक्ट्रोड क्षेत्र पर समान रूप से सिलिकॉन तेल फैलाने के लिए एक उंगली का उपयोग करें। ध्यान दें कि सिलिकॉन तेल इलेक्ट्रोड और फूड रैप इंसुलेटर के बीच भरने और किसी भी एयरगैप से बचने के लिए कार्य करता है।
  2. लगभग 2.5 सेमी x 4 सेमी के आयामों के साथ भोजन लपेटो का एक टुकड़ा काटें और इसे इलेक्ट्रोड के शीर्ष पर रखें। इलेक्ट्रोड क्षेत्र पर 5 सीएसटी सिलिकॉन तेल के ~ 10 माइक्रोल लागू करने के लिए माइक्रोपिपेट का उपयोग करें और सिलिकॉन तेल को समान रूप से फैलाने के लिए उंगली का उपयोग करें। ध्यान दें कि सिलिकॉन तेल इंसुलेटर के शीर्ष पर एक हाइड्रोफोबिक परत के रूप में कार्य करता है।

3) ल्यूमिनॉल के आधार पर चेमिल्यूमिनेसेंस प्रयोग

  1. एक समाधान प्राप्त करने के लिए एक गिलास उभारकर के साथ एक बीकर में एक बीकर में deionized पानी की 25 मिलील में ल्यूमिनॉल के 0.25 ग्राम और 1.6 ग्राम NaOH मिलाएं।
  2. 3% हाइड्रोजन पेरोक्साइड के 20 एमएल के साथ पिछले चरण से समाधान के 20 मिलील मिलाएं।
  3. टारगेट इलेक्ट्रोड पर पिछले स्टेप से ल्यूमिनॉल सॉल्यूशन के 2-5 माइक्रोल रखने के लिए माइक्रोपिपेट का इस्तेमाल करें।
  4. इलेक्ट्रोड पर 0.1% w/w पोटेशियम फेरिक्यानाइड के 10 माइक्रोल रखने के लिए माइक्रोपिपेट का उपयोग करें। ध्यान दें कि यह बूंदें को विद्युतरोवेटिंग के लिए ले जाया जाना है।
  5. माइक्रोकंट्रोलर को चालू करें पोटेशियम फेरिक्यानाइड की 10 माइक्रोल ड्रॉपलेट को ल्यूमिनॉल के साथ मर्ज करने के लिए।

4) फ्लोरोसेंट इमेजिंग प्रयोग

  1. ~ 1 सेमी x 1 सेमी के आयामों के साथ अर्द्ध पारदर्शी टेप का एक टुकड़ा काटें। एक्सटिशन लाइट-एमिटिंग डायोड और ईडब्ल्यूडी इलेक्ट्रोड के बीच सेमी-ट्रांसपेरेंट टेप रखें।
  2. टेप के साथ स्मार्ट फोन के कैमरे पर उत्सर्जन रंग ग्लास फिल्टर संलग्न करें।
  3. जलीय इथेनॉल (3% w/w) समाधान में 2.5 मिलीग्राम फ्लोरोसेइन आइसोथिओसाइनेट मिलाएं।
  4. इलेक्ट्रोड में से एक पर पिछले कदम से समाधान के पिपेट ~ 10 μL।
  5. माइक्रोकंट्रोलर चालू करें।
  6. ड्रॉपलेट ऐक्टिवेशन का वीडियो रिकॉर्ड करने के लिए स्मार्ट फोन का इस्तेमाल करें।

5) अल्ट्रासोनिक एटमाइजर के साथ दीर्घकालिक बूंद एक्ट्यूएशन प्रयोग

  1. अल्ट्रासोनिक एटमाइजर पर 1 एमएल पानी रखें। ध्यान दें कि कोड 90% से अधिक आर्द्रता स्तर बनाए रखने के लिए एक सीमा प्रतिक्रिया एल्गोरिदम का उपयोग करने के लिए लिखा गया है।
  2. माइक्रोपिपेट के साथ 10 माइक्रोल ड्रॉपलेट रखें। माइक्रोकंट्रोलर चालू करें और तुरंत बाड़े के ढक्कन को बंद कर दें।
  3. ~ 1 घंटे के लिए प्रतीक्षा करें। नेत्रहीन बूंद-बूंद एक्ट्यूएशन की जांच करें।

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Representative Results

ड्रेपलेट ऐक्टिवेशन को स्मार्ट फोन के साथ रिकॉर्ड किया जाता है। केमिल्यूमिनेसेंस और फ्लोरोसेंट इमेजिंग के प्रतिनिधि परिणाम चित्र 3 और चित्रा 4 में प्रदर्शित किए जातेहैं । रसायनसूने के प्रयोग के लिए, 10 माइक्रोन फेरिक्यानाइड की बूंद को लक्ष्य इलेक्ट्रोड पर पूर्व-जमा 2 माइक्रोन बूंद के साथ स्थानांतरित करने और मिश्रण करने के लिए एक्ट्यूएटेड किया जाता है जैसा कि चित्र 3में दिखाया गया है। लगातार आंदोलन के बीच की समय अवधि 4 एस होना तय है, आसान अवलोकन के लिए काफी धीमा है। ध्यान दें कि पोटेशियम फेरिक्यानाइड के साथ ल्यूमिनोल समाधान (हाइड्रोजन पेरोक्साइड के साथ) मिश्रण के परिणामस्वरूप नीली रोशनी के फटने को परिवेश प्रकाश के तहत भी नग्न आंखों से देखा जा सकता है। चित्रा 4में प्रदर्शित फ्लोरोसेंट इमेजिंग के लिए, प्रयोग को अंधेरे में किए जाने की आवश्यकता है। अर्द्ध पारदर्शी टेप बूंद पर उत्तेजन प्रकाश को समान रूप से वितरित करने के लिए विसारक के रूप में कार्य करता है। फ्लोरेसेंस से निकलने वाली लाइट को स्मार्ट फोन कैमरे पर अटैच कम लागत वाले उत्सर्जन फिल्टर से फिल्टर किया जाता है । यह इमेजिंग योजना एक ठेठ बेंचटॉप फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोप में सामान्य डिक्रोइक मिरर आधारित योजना की तुलना में सरल है। एक दीर्घकालिक (~ 1 एच) प्रयोग के लिए, सफल बूंद एक्ट्यूएशन को चित्र 5 एमें दिखाए गए रूप में देखा जा सकता है। चित्रा 5b एक अल्ट्रासोनिक परमाणु की कार्रवाई के तहत प्रतिनिधि आर्द्रता डेटा दिखाता है। हम बूंदें व्यास के साथ और बिना परमाणु के भी मापते हैं। परमाणु के बिना, बूंद व्यास 4.0 मिमी से 2.2 मिमी तक सिकुड़ती है और कमरे के तापमान पर 10 माइक्रोन से 6 माइक्रोन तक मात्रा में परिवर्तन होता है और ~ 57% की परिवेश सापेक्ष आर्द्रता होती है। एटमाइजर के साथ, बूंद व्यास 4 मिमी से 3.1 मिमी तक सिकुड़ जाता है और कमरे के तापमान पर 10 माइक्रोन से 8 माइक्रोन और परिवेश सापेक्ष आर्द्रता और जीटी;90% तक मात्रा में परिवर्तन होता है।

Figure 3
चित्रा 3:बूंद आंदोलन और रासायनिक चिकनाई का स्नैपशॉट। टी = 12 एस पर, पोटेशियम फेरिक्यानाइड के साथ ल्यूमिनॉल के मिश्रण के परिणामस्वरूप नीली रोशनी का दिखाई देने वाला फट जाता है। 1 सेमी का स्केल बार भी दिखाया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4:फ्लोरोसेंट इमेजिंग क्षमता के साथ एकीकरण। (ए)सेटअप का योजनाबद्ध। एक एलईडी उत्तेजन के लिए प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य करता है। एक अर्ध-पारदर्शी स्पष्ट कार्यालय टेप एक हल्के विसारक के रूप में कार्य करता है। उत्सर्जन फिल्टर सीधे स्मार्ट फोन कैमरे से जुड़ा हुआ है। (ख)फ्लोरोसेन आइसोथिओसाइनेट युक्त बूंदों की फ्लोरोसेंट इमेजिंग। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5:अल्ट्रासोनिक परमाणु के साथ आर्द्रता नियंत्रण के तहत बूंद एक्तुशन। (ए)1 घंटे के बाद बूंद आंदोलन का स्नैपशॉट। 1 सेमी का स्केल बार भी दिखाया गया है। (ख)अल्ट्रासोनिक एटमाइजर की कार्रवाई के तहत सापेक्ष आर्द्रता बनाम समय। एक तीर इंगित करता है कि दहलीज एल्गोरिदम के कारण परमाणु बंद है। सापेक्ष आर्द्रता के लिए सीमा 90% तक सेट है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

अनुपूरक चित्रा 1: वायरिंग योजनाएं। माइक्रोकंट्रोलर और हाई वोल्टेज पावर सप्लाई बोर्ड एक बैटरी से संचालित होता है। सभी ऑपरेशन माइक्रो कंट्रोलर बोर्ड के साथ करवाया जाता है। एटमाइजर ड्राइवर बोर्ड द्वारा सक्रिय है। इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

अनुपूरक चित्रा 2: हाई वोल्टेज स्विचिंग सर्किट। एक प्रतिरोधक के साथ एक उच्च वोल्टेज धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET) का उपयोग ईडब्ल्यूओडी इलेक्ट्रोड स्विच करने के लिए किया जाता है। इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

अनुपूरक तालिका 1: हमारी किट के घटकों की लागत अनुमान। ट्रांजिस्टर, प्रतिरोधक, प्रकाश उत्सर्जक डायोड जैसे घटकों की इकाई लागत 10 से 100 घटकों के पैक की थोक कीमत से अनुमानित की जाती है। लागत कस्टम ऐक्रेलिक बाड़े शामिल नहीं है।  कृपया इस टेबल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

अनुपूरक संहिता: बूंद आंदोलन और अल्ट्रासोनिक परमाणु के लिए एक्ट्यूएशन को बूंद पर्यावरण को आर्द्र करने में सक्षम बनाने के लिए कस्टम स्क्रिप्ट। इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

यहां वर्णित प्रक्रिया पाठक को बूंद-पात एक्ट्यूएशन के लिए एक कामकाजी ईडब्ल्यूओडी प्रणाली को इकट्ठा करने और परीक्षण करने और माइक्रोफ्लुइडिक्स के साथ अनुभव हासिल करने की अनुमति देती है। हम जानबूझकर महंगे घटकों और रासायनिक नमूनों से बचते हैं। वर्तमान में, कस्टम ऐक्रेलिक बाड़े (अनुपूरक तालिका 1) को छोड़कर फ्लोरोसेंट इमेजिंग और माइक्रोकंट्रोलर के लिए ऑप्टिकल कलर ग्लास होने के साथ सबसे महंगे घटक के साथ ~ $ 130 के लिए एक किट का निर्माण किया जासकता है। ऐसी लागत के लिए, एक फ्लोरोसेंट इमेजिंग क्षमता और एटमाइजर पर आधारित एक सक्रिय आर्द्रता पर्यावरण नियंत्रण भी शामिल है। (एक ठेठ फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोप की लागत ~ $ 1,50019से अधिक है, और यहां तक कि कम लागत वाले डिजिटल फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोप की लागत $ 300 है। ये कम लागत एक बड़े पैमाने पर शैक्षिक सेटिंग के लिए हमारी किट व्यावहारिक बनाते हैं । तुलना के लिए, ड्रॉपबॉट की वर्तमान में लागत ~ $ 5,00020 और ओपनड्रॉप प्लेटफॉर्म की लागत ~ $ 1,0002है। इन प्लेटफार्मों की तुलना का सारांश तालिका 1में दिया गया है।

ड्रॉपबॉट, ओपनड्रॉप और एजुकेशन किट के बीच तुलना
ड्रॉपबॉट ओपनड्रॉप शिक्षा किट
इलेक्ट्रोड सब्सट्रेट कांच के सब्सट्रेट पीसीबी पीसीबी
कोटिंग तकनीक वैक्यूम जमाव पतली फिल्म और तेल खाद्य लपेटो और तेल
एक्ट्यूएशन सिग्नल एसी (10kHz, ठेठ) डीसी डीसी
ड्राइविंग इलेक्ट्रॉनिक्स एचवी एम्पलीफायर और रिले सरणी फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर
ह्यूमिडिफेड पर्यावरण कोई नहीं कोई नहीं हाँ। एटमाइजर के साथ
इमेजिंग क्षमता बाहरी माइक्रोस्पे बाहरी माइक्रोस्पे हाँ। स्मार्ट फोन के साथ
लागत 5,000 डॉलर 1,000 डॉलर 100 डॉलर

तालिका 1: ड्रॉपबॉट, ओपनड्रॉप और हमारी शैक्षिक किट के बीच तुलना करें।

हमारे शैक्षिक किट के उपयोग की व्यवहार्यता का मूल्यांकन करने के लिए, हम मिश्रित पृष्ठभूमि के 13 स्नातक छात्रों की याचना की है । उनके प्रमुख में भौतिकी, जीव विज्ञान, केमिकल इंजीनियरिंग, चिकित्सा, सामग्री विज्ञान, मैकेनिकल इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग शामिल हैं । हम जानबूझकर स्थिति है कि छात्रों को बिजली इंजीनियरिंग से पीढ़ी आते है और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में प्रमुख के साथ केवल एक छात्र की व्यवस्था से बचने की कोशिश करो । हमने उन्हें पीसीबी को मिलाप घटकों और अंत में परीक्षण ड्रॉपलेट एक्ट्यूएशन में हमारी किट पर 2 घंटे के भीतर निर्देश दिया है। इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग से एक को छोड़कर कोई भी छात्र टांका लगाने पर पिछले अनुभव है । अंत में, हम आंकड़े एकत्र करते हैं। सफल दर 62% है। हमें पता चला कि सतह माउंट घटक टांका किट के सफल विधानसभा की अड़चन प्रक्रिया है । सामान्य गाइडलाइन इस प्रकार है। Fintschenko ने बताया कि उपकरण या प्रयोग एक क्या यह अपने आप को सीमा और ब्लैक बॉक्स सीमा के बीच स्पेक्ट्रम में कहीं गिर जाते हैं । छात्रों के पक्ष में इंजीनियरिंग अनुभव बढ़ाने के साथ, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग पृष्ठभूमि से, प्रयोगशाला सत्र के अधिक कर सकते है यह अपने आप को स्वाद पर ले जा सकते हैं । हालांकि, इलेक्ट्रॉनिक्स कौशल जैसे रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान और जैव रसायन पर अनुभवहीन छात्रों को प्रशिक्षकों द्वारा पूर्वस्थापित किट के साथ स्पेक्ट्रम के ब्लैक बॉक्स अंत पर लाभ प्राप्त कर सकते हैं।

संदर्भ के लिए, हम तरल बूंदों की पैरामीटर रेंज को चित्रित करने की भी कोशिश करते हैं जिसका उपयोग किया जा सकता है। आकार के लिए, हमने अधिकतम और न्यूनतम तरल मात्रा क्रमशः 16 माइक्रोन और 8 माइक्रोन होने का परीक्षण किया है, जिसमें ~ 10 माइक्रोन की नाममात्र तरल मात्रा है। हमने अपने तरल को जलीय समाधान तक सीमित कर दिया है और बहुलक खाद्य रैप इंसुलेटर के जंग से बचने के लिए कार्बनिक सॉल्वैंट्स से बचें। हमने आयनिक एकाग्रता, पीएच मूल्य, घनत्व और चिपचिपाहट जैसे कई मापदंडों को कवर करने के लिए टेबल शुगर और नमक जैसे आमतौर पर उपलब्ध तरल प्रणालियों को भी चुना है। परिणाम तालिका 2में संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है । इन परीक्षणों में, हमने अन्य भौतिक गुणों जैसे सतह तनाव को स्थिर रखते हुए बूंदों की अधिकतम चिपचिपाहट का परीक्षण करने के साधन के रूप में ग्लिसरोल पानी के मिश्रण को चुना है। हम ग्लाइसरोल और इसी चिपचिपाहट का अधिकतम वजन प्रतिशत ~ 40% और 3.5 सीपी21निर्धारित करते हैं। 1 एम तक अधिकतम काम करने वाले आयनिक एकाग्रता का परीक्षण सोडियम क्लोराइड के साथ किया जाता है। पीएच मूल्य एसीटेट, साइट्रिक एसिड, और KOH समाधान के साथ परीक्षण किया जाता है।

लिक्विड सिस्टम मुख्य पैरामीटर वर्किंग रेंज
ग्लाइस्रोल पानी का मिश्रण चिपचिपापन ग्लिसरोल 40% wt या 3.5 सीपीएस
पानी में सुक्रोज सघनता 60% तक wt
पानी में पतला साइट्रिक एसिड पीएच मान पीएच = 3 जितना कम
एसिटिक एसिड पीएच मान पीएच = 4 जितना कम
कोह पीएच मान पीएच = 11 के रूप में उच्च के रूप में
सादा नमक आयनिक संघनन 10 mm से 1 मीटर

तालिका 2: हमारी किट पर तरल प्रणाली, मापदंडों और कामकाजी रेंज की सीमा का परीक्षण किया गया।

यहां, हम संक्षेप में बूंद actuation के लिए शामिल भौतिकी पर चर्चा करते हैं । विद्युत व्युत्पन्न का उपयोग करना, आवृत्ति और बूंद की स्थिति के एक समारोह के रूप में ड्राइविंग बल इस ऊर्जा शब्द के विभेदन से प्रणाली में संग्रहीत ऊर्जा क्षमता के आधार पर प्राप्त किया जा सकता है । एक महत्वपूर्ण आवृत्ति, एफसी, प्रत्येक डिवाइस ज्यामिति/तरल संयोजन21के लिए गणना की जा सकती है । इस आवृत्ति के नीचे, अनुमानित बल थर्मोडायनामिक विधि द्वारा भविष्यवाणी की गई है कि कम कर देता है। इस शासन में, बूंद पर कार्य करने वाला बल तीन चरण की संपर्क लाइन के पास संचित आरोपों से उत्पन्न होता है, जो एक्ट्यूएटेड इलेक्ट्रोड की ओर इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से खींचा जा रहा है । महत्वपूर्ण आवृत्ति के ऊपर, एक तरल-डाइइलेक्ट्रोप्रॉमेटिक बल सक्रिय इलेक्ट्रोड की ओर बूंद खींचने के लिए हावी है। हमारे प्रयोग में, हम डीसी एक्ट्यूएशन का उपयोग करते हैं और इसलिए ऑपरेशन इस महत्वपूर्ण आवृत्ति से नीचे है और इसलिए तीन चरणों वाली संपर्क लाइन को एक्ट्यूएटेड इलेक्ट्रोड की ओर खींच लिया जाता है।

अंत में, समग्र प्रयोग पाठक को डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स के संपर्क में लाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। अधिक विशेष रूप से, किट छात्रों को प्रकाशिकी, इलेक्ट्रॉनिक्स और तरल पदार्थ सीखने की अनुमति देती है, इसलिए यह पहलू वरिष्ठ स्तर पर इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और मैकेनिकल इंजीनियरिंग में किसी भी प्रयोगशाला पाठ्यक्रम के लिए उपयुक्त है। साथ ही, विशिष्ट रसायन विज्ञान प्रयोग को वरिष्ठ स्तर पर रसायन विज्ञान या रासायनिक इंजीनियरिंग प्रायोगिक पाठ्यक्रम में नियोजित किया जा सकता है। जबकि यहां वर्णित प्रयोग एक वास्तविक जीवन परिदृश्य का एक सरलीकृत संस्करण है, इसे अन्य प्रयोगों के लिए एक सीधा तरीके से बढ़ाया जा सकता है । उदाहरण के लिए, कोई भी पेपर टेस्ट किट को कपल कर सकता है और बूंद को कागज पर ले जा सकता है। हम अधिक परिष्कृत डिजिटल नियंत्रण और प्रोग्रामेबिलिटी प्रदान करने के लिए अन्य इंटरैक्टिव I/O उपकरणों के साथ एक माइक्रोप्रोसेसर को भी आसानी से जोड़ सकते हैं। हमारा मानना है कि यहां प्रोटोकॉल गैर-पेशेवर उत्साही लोगों को भी लाभ पहुंचा सकता है ताकि वे क्षेत्र के अपने ज्ञान को आगे बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स सीख सकें और लागू कर सकें ।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

वाई टी वाई अनुदान संख्या के तहत विज्ञान और प्रौद्योगिकी मंत्रालय से धन समर्थन स्वीकार करना चाहते है सबसे 107-2621-एम-007-001-MY3 और राष्ट्रीय Tsing हुआ विश्वविद्यालय अनुदान संख्या 109Q2702E1 के तहत । एडंज ग्रुप (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) से मार्क कुर्बान ने इस पांडुलिपि का एक मसौदा संपादित किया ।

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

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References

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विज्ञान शिक्षा के लिए डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स ड्रॉपलेट एक्ट्यूएशन पर आधारित एक बहुमुखी किट
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Guo, Y. H., Lee, C. H., Yang, Y. T.… More

Guo, Y. H., Lee, C. H., Yang, Y. T. A Versatile Kit Based on Digital Microfluidics Droplet Actuation for Science Education. J. Vis. Exp. (170), e61978, doi:10.3791/61978 (2021).

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