方法論記事

科学教育のためのデジタルマイクロ流体ドロップレット作動に基づく多目的なキット

DOI：

10.3791/61978

⸱

2021年4月26日

 ,  , 
1Electrical Engineering, National Tsing Hua University

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

デジタルマイクロ流体に関する複数の実験を行い、実践的な経験を得ることができる教育キットを記述します。

要約

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本論文では、デジタルマイクロ流体に基づく教育キットについて述べている。ルミノール系化学発光実験のプロトコルが具体的な例として報告される。また、蒸発を防ぐために超音波アトマイザーに基づいて、蛍光イメージング機能と閉じた加湿エンクロージャを備えています。キットは、短時間で、電子機器やはんだ付けの最小限のトレーニングで組み立てることができます。このキットは、学部生/大学院生と愛好家の両方が直感的な方法でマイクロ流体の実践的な経験を得ることができ、デジタルマイクロ流体に慣れるための訓練を受けます。

概要

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マイクロ流体学は、フェムトリットルからマイクロリットルに至るまでの液体の少量の操作のための非常に学際的なフィールドコーミング物理学、化学、生物学、および工学である。マイクロ流体はまた非常に広く、活発な分野である;科学のウェブ検索は、ほぼ20,000の出版物を返しますが、教育ツールとしてマイクロ流体の使用に関する不十分な文献とレビュー論文があります2.レッジとフィンチェンコ3、4による時代遅れのレビュー記事は、2つの洞察力があるが、.Legge はチップ3上のラボのアイデアを教育者に紹介します。フィンチェンコは、科学技術工学数学(STEM)教育におけるマイクロ流体教育ラボの役割を指摘し、哲学を「マイクロ流体を教える」と「マイクロ流体を使用する」4に簡素化した。2019年のラッカス、Ridel-Kruse、Pammeによる最近のレビューは、本質的に学際的であることに加えて、マイクロ流体も非常に実践的な主題2であることを指摘しています。マイクロ流体工学の実践に関連する実践的な活動は、学生に問い合わせベースの学習を提供し、科学のコミュニケーションとアウトリーチのための魅力的なツールになります。マイクロ流体学は、確かに正式な設定と非公式の両方の設定で科学教育のための多くの可能性を提供し、また、現代科学の学際的な側面について一般の人々を熱狂させ、教育するための理想的な「ツール」です。

低コストのマイクロチャネルデバイス、紙マイクロ流体、デジタルマイクロ流体などの例は、教育目的のための理想的なツールです。これらのプラットフォームの中で、デジタルマイクロ流体は難解なままであり、デジタルマイクロ流体に基づく査読されたレポートは2を欠いている。ここでは、いくつかの理由から、教育ツールとしてデジタルマイクロ流体を使用することを提案します。第1に、デジタルマイクロ流体は、液滴の操作と液滴の個別マイクロ血管としての使用法に基づいているため、マイクロチャネルベースのパラダイムとは非常に異なります。第二に、液滴は比較的一般的な電極アレイプラットフォーム上で操作されるため、デジタルマイクロ流体はマイクロエレクトロニクスと密接に結合することができます。ユーザーは電子部品の拡張セットを活用することができ、今では日曜大工アプリケーションが液滴と電子的にインターフェースするための非常にアクセスしやすくなっています。したがって、我々は、デジタルマイクロ流体は、学生がこれらのユニークな側面を体験し、マイクロチャネルベースの低レイノルズ数マイクロ流体1に固執するために過度にオープンマインドではないことを主張しています。

簡単に言えば、デジタルマイクロ流体の分野は、主に、ガブリエル・リップマン5、6によって最初に記述された電気湿式現象に基づいています。最近の開発は、1990年代初頭にベルゲによって開始されました7.彼の主な貢献は、電気分解の問題を排除するために、金属電極から導電性液体を分離するために薄い絶縁体を導入するという考え方です。この考え方は、誘電体(EWOD)での電気湿潤と呼ばれる。その後、デジタルマイクロ流体は、いくつかの先駆的な研究者によって普及しました 8,9.臨床診断、化学、生物学などのアプリケーションの包括的なリストは、デジタルマイクロ流体10、11、12で証明されており、したがって、教育環境のために多くの例が利用可能です。特に、低コストのラインに沿って、日曜大工デジタルマイクロ流体、アブデルガワドとウィーラーは、以前にデジタルマイクロ流体13、14の低コスト、迅速な試作を報告しています。Fobelら, また、オープンソースのデジタルマイクロ流体制御システムとしてDropBotを報告しています15.Yafiaらも、3Dプリント部品と小型電話16に基づくポータブルデジタルマイクロ流体を報告した。アリスターとガウデンツはまた、フィールド効果トランジスタアレイとDCアクチュレーション17に基づいているバッテリー駆動OpenDropプラットフォームを開発しました。

ここでは、デジタルマイクロ流体を組み立て、デジタルマイクロ流体を体験できる、市販のプリント基板(PCB)をベースにしたデジタルマイクロ流体教育キットを紹介します(図1)。デジタル設計ファイルからPCBを作成するためのサービス料は広く利用可能であり、したがって、デジタル設計ファイルを共有できる教育のための実行可能な低コストのソリューションであると考えています。組み立てプロセスを簡素化し、ユーザーの直感的なインターフェイスを作るために、コンポーネントとシステム設計の細心の注意を払って選択します。したがって、トッププレートの必要性を避けるために、2プレート構成の代わりに1プレート構成が使用されます。コンポーネントと試験化学物質の両方を簡単に入手できる必要があります。例えば、スーパーからのフードラップは、私たちのキットの絶縁体として使用されています。

当社のキットの実現可能性を証明するために、ルミノールの化学発光に基づく特定の化学実験を提案し、プロトコルを提供します。希望は、化学発光の視覚的観察が学生を熱狂させ、興奮させることができるということです。ルミノールは、H2O2などの酸化剤と混合すると青色の輝きを示す化学物質であり、通常、血液18を検出するために法医学で使用される。当研究室では、フェリシアン化カリウムが触媒として機能します。ルミノールは水酸化物イオンと反応し、ダイアニオンを形成する。ジアニオンは、その後、過酸化水素からの酸素と反応して、励起状態の電子と5アミノフタル酸を形成し、励起状態から地盤状態への電子の緩和は、青色光のバーストとして見える光子をもたらす。

また、光発光ダイオード(LED)を励起光源として統合した蛍光イメージング実験をスマートフォンで報告しています。最後に、液滴蒸発はマイクロ流体では問題であるが、めったに対処されていない。(1 μLの水滴は開いた基板から1時間以内に失われます3.高周波ピエゾトランスデューサをベースにしたアトマイザーを使用して、水を微細なミストに変換します。これは、液滴の蒸発を防ぐために加湿環境を作成し、長期的な(〜1時間)液滴作動を実証する。

figure-introduction-1
図1: EWODセットアップの回路図(a)マイクロコントローラを用いて、EWOD電極に制御シーケンスを提供する。また、湿度は制御されます。(b) PCBレイアウトの概略図電極、蛍光イメージング用LED、抵抗、および電界効果トランジスタ(FET)は標識されています。1cmのスケールバーも表示されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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図2:キットのトップビュー マイクロコントローラボード、高電圧供給ボード、EWOD PCB、湿度センサー、およびアトマイザーがラベル付けされています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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プロトコル

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1) デジタルマイクロ流体キットの組み立て

  1. 図1bの回路図に従って、表面実装抵抗、トランジスタ、および発光ダイオードをPCB基板にはんだ付けする。
  2. 高圧電源ボードの出力を、はんだ付きコンポーネントを備えたPCBボードに接続します(図2および補足図1)。
  3. バッテリーを電圧ブースターボードに接続して、電圧を6 Vから12Vに引き上げます(図2および補助図1)。
  4. 電圧ブースターボードに高圧電源ボードを接続して電圧を12 Vから~230Vに引き上げます(図2および補助図1)。
  5. マイクロコントローラボードに湿度センサーを接続します。超音波ピエゾアトマイザーとアトマイザードライバボードをマイクロコントローラボードに接続します(図2および補助図1)。
  6. 寸法23 cm x 20.5 cm x 6 cmのアクリルエンクロージャにアセンブリ全体を配置します。
  7. マイクロコントローラの電源をオンにし、デジタルマルチメーターを使用してEWOD電極の電圧を測定し、出力電圧が~230Vであることを確認します。

2) 電極アレイ上の絶縁体の調製

  1. 清潔なニトリル手袋を着用してください。マイクロピペットを使用して、5 cStシリコーンオイルの約10μLを電極領域に塗布し、指でシリコンオイルを電極領域に均等に広げます。なお、シリコンオイルは電極とフードラップ絶縁体の間の充填物として機能し、エアギャップを避けるためである。
  2. 約2.5cm x 4cmのサイズのフードラップを切り、電極の上に置きます。マイクロピペットを使用して、5 cStシリコーンオイルの約10μLを電極領域に塗布し、指でシリコーンオイルを均等に広げます。なお、シリコーン油は、絶縁体の上に疎水性層として機能する。

3) ルミノールを用いた化学発光実験

  1. 0.25gのルミノールと1.6gのNaOHを25mLの脱イオン水にガラススターラーと混ぜ合わせ、溶液を得る。
  2. 前工程から20mLの溶液を20mLの過酸化水素3%と混合します。
  3. マイクロピペットを使用して、前のステップのルミノール溶液をターゲット電極に2~5μL配置します。
  4. マイクロピペットを使用して、10 μLの 0.1%w w/w のフェリシアン化カリウムを電極に配置します。これは、エレクトロウェットのために移動する液滴であることに注意してください。
  5. マイクロコントローラをオンにして、フェリシアン化カリウムの10 μL液滴をルミノールと合体させます。

4) 蛍光イメージング実験

  1. 1cm×1cmの寸法で半透明テープを切ります。励起発光ダイオードとEWOD電極の間に半透明テープを入れる。
  2. スマートフォンのカメラに発光カラーガラスフィルターをテープで貼り付けます。
  3. 2.5mgのフルオレセインイソチオシアネートをエタノール水溶液(3%w/w)溶液に混ぜます。
  4. 電極の1つで前のステップから溶液のピペット〜10 μL。
  5. マイクロコントローラの電源を入れます。
  6. スマートフォンを使用して、液滴作動のビデオを録画します。

5)超音波アトマイザーによる長期液滴作動実験

  1. 超音波アトマイザーに1mLの水を置きます。このコードは、90% 以上の湿度レベルを維持するために、しきい値フィードバック アルゴリズムを使用するように記述されていることに注意してください。
  2. マイクロピペットで10μLの液滴を入れる。マイクロコントローラの電源を入れ、すぐにエンクロージャの蓋を閉じます。
  3. ~1 時間待ちます。液滴作動を視覚的に確認します。

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結果

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液滴作動はスマートフォンで記録されます。化学発光および蛍光イメージングの代表的な結果を 図3 および 図4に示す。化学発光実験の場合、 図3に示すように、10μLのフェリシアニドの液滴が作動し、あらかじめ堆積した2μL液滴をターゲット電極上に混合して移動させた。連続した移動の間の期間は4sに設定され、観察が容易になるほど遅い。なお、ルミノール溶液(過酸化水素)とフェリシアン化カリウムを混合した結果生じる青色光のバーストは、周囲光下でも肉眼で見ることができる。 図4に示す蛍光イメージングの場合、実験は暗闇の中で行う必要があります。半透明テープは、励起光を液滴に均等に分配するディフューザーとして機能します。蛍光から放出された光は、スマートフォンのカメラに取り付けられた低コストの発光フィルタでフィルタリングされます。このイメージングスキームは...

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ディスカッション

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ここで説明する手順は、読者が液滴作動のための働くEWODシステムを組み立て、テストし、マイクロ流体で実践的な経験を得ることを可能にする。高価な部品や化学試料を意図的に避けます。現在、1つのキットは、蛍光イメージング用の光学カラーガラスとカスタムアクリルエンクロージャを除くマイクロコントローラである最も高価なコンポーネントで〜$130のために構築することができます(補足表1)。このようなコストのために、アトマイザーに基づく蛍光イメージング能力および活性湿度環境制御も含まれる。(典型的な蛍光顕微鏡は〜$1,50019以上の費用がかかり、低コストのデジタル蛍光顕微鏡でさえ300ドルです。これらの低コストは、大規模な教育環境のために実用的な私たちのキットを作ります。比較のために、Dropbotは現在〜5,00020、OpenDrop プラットフォームのコストは〜$ 1,0002です。これらのプラットフォームの比較の概要を 表 1に示しま...

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開示事項

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著者らは開示するものは何もない。

謝辞

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Y. T. Y. 助成金番号MOST 107-2621-M-007-001-MY3と国立青華大学助成金番号109Q2702E1の下で科学技術省からの資金援助を認めたいと思います。エダンツ・グループ(https://en-author-services.edanzgroup.com/ac)のマーク・カバンがこの原稿の草稿を編集しました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
アクリルエンクロージャLOCALベンダー23cm x 20.5 cm x 6cm
Ardunion UnoArduinoUNOマイクロコントローラーボード
酢酸Sigma Alrich695092-100ML
ブレッドボードMCIGICM400tie4 cm x 7 cm、400ポイント無はんだブレッドボード、4
BSP89 H6327 Infineon MOSFETのパック マウザー726-BSP89H6327ドレインソーレブレークダウン電圧240V、オン抵抗4.2オーム
シトリッド酸シグマアルリッチ251275-100G
カラーガラスフィルター ThorlabsFGL 530蛍光イメージング用カラーガラスフィルター
DHT11 温度 & 湿度センサーadafruit
デジタルマルチメーター フルーク17B
フルオレセイン イソチオシアネート異性体 Iシグマ アルリッチF7250-50MG50 mg 価格、蛍光イメージング
グリセロールシグマ アルリッチG9012-500ML
ニクセ管用高電圧電源VaorwneNCH6100HV高電圧電力最大 DC 235V
LM2596 昇圧5V から 12 V への昇圧
LuminolSigma Alrich123072-5G5 g $110
PippetThermal Fisher1- 10 ul
プリント回路基板 地元のベンダー10個が60ドル
プラスチックフードラップカークランドストレッチタイト フードラッププラスチックフードラップ
フェリシノイドカリウムメルク1049821 kg
1N水酸化カリウム溶液(1 mol / l) シャーラウ 1リットル
クリアオフィステープ3mm3Mスコッチ半透明、照明塩のディフューザーとして使用
7ドルの塩大きな価値のヨウ素化塩
シリコーンオイル(5Cst)シグマアルリッチ317667-250ML上部疎水性層&電極と絶縁体
ショ糖の間の充填層テーブルシュガー どのスーパーマーケットからでも、1ポンドあたり6ドル
実装青色LEDオズニウム3528ズニウムPLCC-2表面実装LEDの20個、3528サイズSMD SMT LED - 青色
表面実装抵抗器180kオームバランスワールド株式会社3mm x 6 mm 1ワット
表面実装抵抗器LED用510オームバランスワールド株式会社バイアス抵抗器、3mmx6mm 1ワット
ウォーターアトマイザーグローブ 動作周波数 100 kHz   電源電圧 5V 最大 2W  キットには超音波トランスデューサ
高電圧トランジスタ
ー 電圧 の スーパーからので6オンス 表面オが付属しています

参考文献

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