ערכה רב-תכליתית המבוססת על מפעיל טיפת מיקרופלואידיקה דיגיטלית לחינוך מדעי

סיכום

אנו מתארים ערכה חינוכית המאפשרת למשתמשים לבצע ניסויים מרובים ולצבור ניסיון מעשי במיקרופלואידיקה דיגיטלית.

תקציר

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.

מבוא

מיקרופלואידיקה (Microfluidics) הוא תחום בינתחומי ביותר הסורק פיזיקה, כימיה, ביולוגיה והנדסה לצורך מניפולציה של נפח קטן של נוזלים, החל מפטוליטר ועד^{מיקרוליטרים 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 ופינטשנקו^3,4. 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 ליפמן^5,6. 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 חלוציים^8,9. עכשיו רשימה מקיפה של יישומים למשל, באבחון קליני, כימיה וביולוגיה, הוכח על microfluidics דיגיטלי^10,11,12 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 דיגיטלי^13,14. 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 לזהות^{דם 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.

פרוטוקול

1) הרכבת ערכת המיקרופלואידיקה הדיגיטלית

1. הלחמה נגדי הרכבה על פני השטח, טרנזיסטורים ודיודות פולטות אור על לוח PCB על פי השרטוטים באיור 1b.
2. חבר את התפוקה של לוח אספקת החשמל במתח גבוה ללוח ה- PCB עם רכיבים הלחמה (איור 2 ואיור משלים 1).
3. חבר את הסוללה ללוח מאיץ המתח כדי להגביר את המתח מ- 6 V ל- 12 V (איור 2 ואיור משלים 1).
4. חבר את לוח אספקת המתח הגבוה ללוח מאיץ המתח כדי להגביר את המתח מ- 12 V ל- ~ 230 V (איור 2 ואיור משלים 1).
5. חבר את חיישן הלחות ללוח המיקרו-בקרים. חבר את אטומיזר הפיזו הקולי ולוח הנהגים של האטומיזר ללוח המיקרו-בקרים(איור 2 ואיור משלים 1).
6. מניחים את כל ההרכבה לתוך המארז האקרילי של ממדים 23 ס"מ x 20.5 ס"מ x 6 ס"מ.
7. 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

1. 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.
2. 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

1. 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.
2. מערבבים 20 מ"ל של הפתרון מהשלב הקודם עם 20 מ"ל של 3% מי חמצן.
3. השתמש micropipette למקם 2-5 μL של פתרון luminol מהשלב הקודם על אלקטרודה היעד.
4. השתמש micropipette למקם 10 μL של 0.1% w / w אשלגן ברזל על האלקטרודה. שים לב כי זוהי טיפה להיות מועבר עבור electrowetting.
5. הפעל את המיקרו-בקר כדי להזיז את טיפת 10 μL של אשלגן פריציאניד להתמזג עם luminol.

4) ניסוי הדמיה פלואורסצנטית

1. 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.
2. חבר את מסנן הזכוכית בצבע פליטה במצלמה של הטלפון החכם עם קלטת.
3. מערבבים 2.5 מ"ג של פלואורסצנטין isothiocyanate בתמיסת אתנול מימית (3% w /w).
4. פיפטה ~ 10 μL של הפתרון מהשלב הקודם על אחת האלקטרודות.
5. תדליק את המיקרו-בקר.
6. השתמש בטלפון החכם כדי להקליט וידאו של מפעיל droplet.

5) ניסוי מפעיל טיפה לטווח ארוך עם אטומיזר קולי

1. 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%.
2. מניחים טיפה 10 μL עם מיקרופיפט. הפעל את המיקרו-בקר וסגור מיד את מכסה המארז.
3. המתן ~ 1 שעה. בדוק באופן חזותי את ההפעלה של טיפה.

תוצאות

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 לרא...

דיון

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}

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
מארז אקרילי	ספק		23 ס"מ x 20.5 ס"מ x 6 ס"מ
Ardunion Uno	Arduino	UNO	לוח מיקרו-בקר
חומצה אצטית	Sigma Alrich	695092-100ML
לוח לחם	MCIGICM	400tie	4 ס"מ x 7 ס"מ, 400 נקודות לוח לחם ללא הלחמה, חבילה של 4
BSP89 H6327 Infineon MOSFET	עכבר	726-BSP89H6327	מתח פירוק סור ניקוז 240V, על התנגדות 4.2 אוהם
סיגמה חומצת ציטריד	Alrich	251275-100G
מסנן זכוכית צבעוני	Thorlabs	FGL 530	מסנן זכוכית צבעוני להדמיה פלואורסצנטית
DHT11 חיישן טמפרטורה ולחות	adafruit
מולטימטר דיגיטלי	Fluke	17B
Fluorescein isothiocyanate isomer I	sigma Alrich	F7250-50MG	50 מ"ג מחיר, הדמיה פלואורסצנטית
גליצרול	סיגמא Alrich	G9012-500ML
ספק כוח מתח גבוה עבור Nixe צינור	Vaorwne	NCH6100HV	מתח גבוה הספק מקסימום dc 235V
LM2596 מתח מאיץ מעגל			להגביר מתח מ 5V ל 12 V
לומינול	סיגמא אלריך	123072-5G	5 גרם תמורת 110 דולר
פיפט	תרמי פישר		- 10 ul
מעגלים מודפסים	מוכר		10 חתיכות במחיר של 60 דולר
עטיפת מזון מפלסטיק	Kirkland	Stretch-tite	עטיפת מזון עטיפת מזון מפלסטיק
אשלגן פריציניד	Merck	104982	1 ק"ג
1N תמיסת אשלגן הידרוקסיד (1 מול/ליטר)	שרלאו		1 ליטר
סרט משרדי שקוף 3 מ"מ	3M סקוטש		שקוף למחצה, משמש כמפזר למלח תאורה
		יוד בעל ערך רב	6 אונקיות תמורת 7 דולר מלח מהסופרמרקט
שמן סיליקון (5Cst)	סיגמא אלריך	317667-250 מ"ל	שכבה הידרופובית עליונה ושכבת מילוי בין אלקטרודה לסוכרוז
			מבודדסוכר שולחן  מכל סופרמרקט, 6 דולר לפאונד
הרכבה על פני השטח LED כחול	אוזניום	3528	אוזניום 20 חתיכות של נוריות הרכבה משטחיות PLCC-2, 3528 גודל SMD SMT LED - נגד הרכבה משטחית
כחול 180k Ohm	Balance World Inc		3 מ"מ x 6 מ"מ 1
וואט נגד הרכבה על פני השטח 510Ohm	Balance World Inc		נגד הטיה ל-LED, 3 מ"מ x 6 מ"מ 1 וואט
מרסס מים	Grove		תדר הפעלה 100 קילו-הרץ  אספקה votage 5V מקסימום 2W  הערכה מגיעה עם מתמר
טרנזיסטור מתח גבוה