방법 논문

과학 교육을 위한 디지털 미세 유체 액적 액적 을 기반으로 하는 다목적 키트

DOI:

10.3791/61978

⸱

2021년 4월 26일

 ,  , 
1Electrical Engineering, National Tsing Hua University

이 논문에서

요약

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우리는 사용자가 여러 실험을 실행하고 디지털 미세 유체학에 대한 실습 경험을 얻을 수있는 교육 키트를 설명합니다.

초록

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이 논문은 디지털 미세 유체학을 기반으로 하는 교육 키트에 대해 설명합니다. 루미놀 계 화학 발광 실험에 대한 프로토콜은 특정 예로 보고된다. 또한 증발을 방지하기 위해 초음파 분무기에 기반한 형광 이미징 기능과 폐쇄된 가습 인클로저를 갖추고 있습니다. 이 키트는 단기간에 전자 제품 및 납땜 교육을 최소화하면서 조립할 수 있습니다. 이 키트를 통해 학부생/대학원생과 매니아 모두 직관적인 방식으로 미세 유체학에서 실습 경험을 쌓고 디지털 미세 유체에 익숙해지도록 훈련할 수 있습니다.

서론

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미세 유체학은 펨토리터에서 마이크로리터1에이르는 소량의 액체를 조작하기 위한 물리학, 화학, 생물학 및 엔지니어링 분야가 매우 학제간 분야입니다. 미세 유체학은 또한 매우 광범위하고 활동적인 분야입니다. 과학 검색의 웹은 거의 20,000 개의 출판물을 반환하지만 교육 도구2로미세 유체 의 사용에 대한 문헌 및 검토 논문이 충분하지 않습니다. 레게와 Fintschenko3,4에의해 오래된 리뷰 기사이기는하지만, 두 통찰력이 있습니다 . Legge는 칩3에실험실의 아이디어에 교육자 소개합니다. Fintschenko는 과학 기술 공학 수학 (STEM) 교육에서 미세 유체 교육 실험실의 역할을 지적하고 "미세 유체학을 가르치기"와 "미세 유체학사용"4로철학을 단순화했다. 라쿠스, 리델-크루스, 팜메의 최근 리뷰는 2019년 자연학 간 이외에 미세유체학도 매우 실무적인주제2라는점을 지적한다. 미세 유체 학의 연습과 관련된 실습 활동은 학생들에게 탐구 기반 학습에 빌려주며 과학 의사 소....

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프로토콜

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1) 디지털 미세 유체 키트 조립

  1. 도 1b의회로도에 따라 표면 마운트 저항기, 트랜지스터 및 발광 다이오드를 PCB 보드에 납땜한다.
  2. 고전압 전원 공급 판의 출력을 납땜 부품과 PCB 보드에 연결합니다(그림2 및 보충 도 1).
  3. 전압 부스터 보드에 배터리를 연결하여 6V에서 12V로 전압을 향상시킵니다(그림2 및 보충 도 1).
  4. 고전압 공급 보드를 전압 부스터 보드에 연결하여 전압을 12 V에서 ~230 V로 향상시킵니다(그림2 및 보충 도 1).
  5. 습도 센서를 마이크로 컨트롤러 보드에 연결합니다. 초음파 압압 분무기 및 분무기 드라이버 보드를 마이크로 컨트롤러 보드(도 2 및 보충 도 1)에연결합니다.
  6. 전체 어셈블리를 치수 23cm x 20.5cm x 6cm의 아크릴 인클로저에 넣습니다.

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결과

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액적 작동은 스마트폰으로 기록됩니다. 화학 발광 및 형광 화상 진찰에 대한 대표적인 결과는 도 3 및 도 4에표시됩니다. 화학 발광 실험의 경우, 10 μL 페리시야니드의 액적은 도 3에도시된 바와 같이 표적 전극에 미리 기탁된 2 μL 액적과 함께 이동하고 혼합하도록 작동된다. 연속된 움직임 사이의 기간은 4s로 설정되어 있어 쉽게 관찰할 수 있을 만큼 느립니다. 루미놀 용액(과산화수소)과 칼륨 페리시야니드를 혼합하여 발생하는 청색광의 파열은 주변 광하에서도 육안으로 볼 수 있습니다. 도 4에전시된 형광 화상 진찰의 경우, 실험은 어둠 속에서 수행될 필요가 있다. 반투명 테이프는 디퓨저 역할을 하여 발광광을 방울에 고르게 분배합니다. 형광에서 방출된 광은 스.......

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토론

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여기에 설명된 절차는 독자가 액적 작동을 위해 작동하는 EWOD 시스템을 조립하고 테스트하고 미세 유체와 실습 할 수 있게 합니다. 우리는 의도적으로 비싼 구성 요소와 화학 샘플을 피합니다. 현재, 하나의 키트는 사용자 정의 아크릴 인클로저(보충 표 1)를제외한 형광 이미징 및 마이크로 컨트롤러용 광학 색상 유리인 가장 비싼 구성 요소인 ~$130을 위해 구성될 수 있다. 이러한 비용을 위해, 형광 화상 진찰 기능 및 분무기에 근거를 둔 액티브 한 습도 환경 통제도 포함됩니다. (일반적인 형광 현미경은 ~ $ 1,50019이상 비용이 들며, 심지어 저가의 디지털 형광 현미경은 $ 300입니다.) 이러한 저렴한 비용으로 인해 대규모 교육 환경에서 키트가 실용적입니다. 비교를 위해 Dropbot은 현재 ~$5,00020의 비용이 들며 OpenDrop 플랫폼비용은 ~$1,0002입니다.<.......

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공개 사항

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저자는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

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

Y. T. Y. 보조금 번호에 따라 과학기술부의 자금 지원을 인정하고 싶습니다 107-2621-M-007-001-MY3 및 국립 칭화 대학 보조금 번호 109Q2702E1. 에단츠 그룹(https://en-author-services.edanzgroup.com/ac)의 마크 크반은 이 원고초안을 편집했다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
아크릴 케이스로컬 벤더23cm x 20.5 cm x 6cm
Ardunion UnoArduinoUNO마이크로컨트롤러 보드
아세트산Sigma Alrich695092-100ML
브레드보드MCIGICM400tie4 cm x 7 cm, 400 포인트 무납땜 브레드보드, 4개 팩
BSP89 H6327 Infineon MOSFET Mouser726-BSP89H6327드레인 soure 항복 전압 240V, 온 저항 4.2 옴
시트리드 산시그마 Alrich251275-100G
컬러 글라스 필터 ThorlabsFGL 530컬러 유리 필터 형광 이미징
DHT11 온도 및 습도 센서adafruit
디지털 멀티미터 Fluke17B
Fluorescein isothiocyanate 이성질체 ISigma AlrichF7250-50MG50mg 가격, 형광 이미징
글리세롤Sigma AlrichG9012-500ML
Nixe 튜브 용 고전압 전원 공급 장치VaorwneNCH6100HV고전압 전력 최대 dc 235V
LM2596 전압 부스터 회로5V에서 12V로 전압 향상
LuminolSigma Alrich123072-5G5 g for $110
PippetThermal Fisher1- 10 ul
인쇄 회로 기판 현지 벤더10개, $60
플라스틱 식품 랩KirklandStretch-tite 식품 포장 플라스틱 식품 포장
포타슘 페리시니드머크1049821 kg
1N 수산화칼륨 용액 (1 mol/l) 샬라우 1 리터
투명 사무용 테이프 3mm3M 스카치반투명, 조명 소금 디퓨저로 사용
Great Value 요오드 소금6 oz 슈퍼마켓에서 $7 소금
실리콘 오일(5Cst)Sigma Alrich317667-250ML전극과 절연체 자당
사이의 상단 소수성 층 및 충전층테이블 설탕  어떤 슈퍼마켓에서든, 파운드 당 6달러
표면 마운트 블루 LED오즈늄3528오즈늄 20개의 PLCC-2 표면 마운트 LED, 3528 사이즈 SMD SMT LED - 블루
표면 마운트 저항기 180k 옴밸런스 월드 Inc3mm x 6 mm 1와트
표면 마운트 저항기 510Ohm밸런스 월드 Inc바이어스 저항기 LED, 3mmx6mm 1와트
워터 아토마이저그로브 운영 주파수 100 kHz  공급 전압 5V 최대 2W  이 키트에는 초음파 변환기
고전압 트랜지스터가 함께 제공됩니다
.

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Convery, N., Gadegaard, N. 30 years of microfluidics. Micro and Nano Engineering. 2, 76-91 (2019).
  2. Rackus, D. G., Ridel-Kruse, I. H., Pamme, N. Learning on a chip: Microfluidics for formal and informal science education. Biomicrofluidics. 13, 041501(2019).
  3. L....

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