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La microfluidica è una fisica, chimica, biologia e ingegneria altamente interdisciplinare per la manipolazione di piccoli volumi di liquidi che vanno dal femtolitro ai microlitri1. La microfluidica è anche un campo molto ampio e attivo; una ricerca web of science restituisce quasi 20.000 pubblicazioni, eppure non c'è letteratura e documenti di revisione sufficienti sull'uso delle microfluidica comestrumento educativo 2. Ci sono due articoli di recensioni perspicaci, anche se obsoleti, di Legge e Fintschenko3,4. Legge introduce gli educatori all'idea di un laboratorio su un chip3. Fintschenko ha sottolineato il ruolo del laboratorio di insegnamento della microfluidica nell'educazione alla matematica dell'ingegneria tecnologica scientifica (STEM) e ha semplificato le filosofie in "insegnare microfluidici" e "usare la microfluidica"4. Una recensione più recente di Rackus, Ridel-Kruse e Pamme nel 2019 sottolinea che oltre ad essere di natura interdisciplinare, la microfluidica è anche un argomento molto pratico2. L'attività pratica relativa alla pratica della microfluidica presta gli studenti all'apprendimento basato sull'indagine e lo rende uno strumento coinvolgente per la comunicazione scientifica e la sensibilizzazione. La microfluidica offre infatti un grande potenziale per l'educazione scientifica sia in contesti formali che informali ed è anche uno "strumento" ideale per enthus ed educare il grande pubblico sull'aspetto interdisciplinare delle scienze moderne.
Esempi come dispositivi a microcanale a basso costo, microfluidica cartacea e microfluidica digitale sono strumenti ideali per scopi educativi. Tra queste piattaforme, le microfluidica digitale rimangono relazioni esoteriche e peer-reviewed basate su microfluidica digitale mancano2. Qui proponiamo di utilizzare la microfluidica digitale come strumento educativo per diversi motivi. In primo luogo, la microfluidica digitale è molto distinta dal paradigma basato su microcanali perché si basa sulla manipolazione delle goccioline e sull'uso delle goccioline come microvessel discrete. In secondo luogo, le goccioline sono manipolate su piattaforme di array di elettrodi relativamente generiche in modo che le microfluidica digitale possano essere intimamente accoppiate con la microelettronica. Gli utenti possono sfruttare un set esteso di componenti elettronici, ora altamente accessibili per le applicazioni fai-da-te per interfacciarsi elettronicamente con goccioline. Pertanto, sosteniamo che la microfluidica digitale può aiutare gli studenti a sperimentare questi aspetti unici ed essere aperti a non attenersi esentemente alla microfluidica a basso numero Reynold basata su microcanali1.
In breve, il campo della microfluidica digitale si basa in gran parte sui fenomeni di elettrowetting, descritti per la prima volta da Gabriel Lippmann5,6. I recenti sviluppi sono stati avviati da Berge all'inizio degli anni '907. Il suo contributo chiave è l'idea di introdurre un isolante sottile per separare il liquido conduttivo dagli elettrodi metallici per eliminare il problema dell'elettrolisi. Questa idea è stata definita elettrowetting su dielettrico (EWOD). Successivamente, la microfluidica digitale è stata reso popolare da diversi ricercatori pionieri8,9. Ora è stato dimostrato un elenco completo di applicazioni, ad esempio, in diagnostica clinica, chimica e biologia, sulla microfluidicadigitale 10,11,12 e, quindi, sono disponibili molti esempi per un ambiente educativo. In particolare, lungo la linea delle microfluidica digitali fai-da-te a basso costo, Abdelgawad e Wheeler hanno precedentemente riportato una prototipazione rapida e a basso costo delle microfluidicadigitale 13,14. Fobel et al., ha anche segnalato DropBot come un sistema di controllo microfluidico digitale open source15. Yafia et al., ha anche segnalato una microfluidica digitale portatile basata su parti stampate in 3D e telefono più piccolo16. Alistar e Gaudenz hanno anche sviluppato la piattaforma OpenDrop alimentata a batteria, che si basa sull'array di transistor ad effetto di campo e sull'azionamento dc17.
Qui presentiamo un kit educativo di microfluidica digitale basato su circuiti stampati di provenienza commerciale (PCB) che consente all'utente di assemblare e ottenere un'esperienza pratica con la microfluidica digitale(Figura 1). La commissione per il servizio per creare PCB da file di progettazione digitale è ampiamente disponibile, e quindi pensiamo che sia una soluzione a basso costo praticabile per l'istruzione a condizione che i file di progettazione digitale possano essere condivisi. La scelta meticolosa dei componenti e la progettazione del sistema sono fatte per semplificare il processo di assemblaggio e creare un'interfaccia con l'intuitivo dell'utente. Pertanto, viene utilizzata una configurazione a una piastra invece di una configurazione a due piastre per evitare la necessità di una piastra superiore. Sia i componenti che i prodotti chimici di prova devono essere facilmente disponibili. Ad esempio, l'involucro alimentare del supermercato viene utilizzato come isolante nel nostro kit.
Per dimostrare la fattibilità del nostro kit, suggeriamo uno specifico esperimento di chimica basato sulla chemiluminescenza del luminol e forniamo il protocollo. La speranza è che l'osservazione visiva della chemiluminescenza possa entusiasmare ed eccitare gli studenti. Il luminol è una sostanza chimica che mostra un bagliore blu se miscelato con un agente ossidante come H2O2 ed è tipicamente usato in medicina legale perrilevare il sangue 18. Nel nostro ambiente di laboratorio, il ferricianuro di potassio funge da catalizzatore. Il luminolo reagisce con lo ione idrossido e forma un dianione. Il dianione reagisce successivamente con l'ossigeno dal perossido di idrogeno per formare acido 5-amminoftalico con elettroni in uno stato eccitato, e il rilassamento degli elettroni dallo stato eccitato allo stato del suolo si traduce in fotoni visibili come un'esplosione di luce blu.
Segnaliamo anche un esperimento di imaging fluorescente con uno smartphone per dimostrare l'integrazione di un diodo emettitore di luce (LED) come fonte di luce di eccitazione. Infine, l'evaporazione delle goccioline è un problema nelle microfluidica, ma viene raramente affrontata. (Un 1 μL di goccia d'acqua viene perso entro 1 h da un substrato aperto3.) Usiamo un atomizzatore basato su un trasduttore piezo ad alta frequenza per convertire l'acqua in nebbia fine. Ciò crea un ambiente umidificato per prevenire l'evaporazione delle goccioline e dimostra l'azionamento delle goccioline a lungo termine (~1 h).
Figura 1: Schemi dell'impianto EWOD. (a) Un microcontrollore viene utilizzato per fornire una sequenza di controllo all'elettrodo EWOD. Inoltre, l'umidità è controllata. (b) Schemi del layout PCB. Elettrodi, LED per imaging fluorescente, resistore e transistor ad effetto di campo (FET) sono etichettati. Viene mostrata anche una barra di scala di 1 cm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Vista dall'alto del kit. La scheda microcontroller, la scheda di alimentazione ad alta tensione, il PCB EWOD, il sensore di umidità e l'atomizzatore sono etichettati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.