Opisujemy zestaw edukacyjny, który pozwala użytkownikom przeprowadzać wiele eksperymentów i zdobywać praktyczne doświadczenie w zakresie cyfrowej mikrofluidyki.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Wszechstronny zestaw oparty na cyfrowym uruchamianiu kropelkowym mikrofluidyki do nauczania przedmiotów ścisłych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Ten artykuł opisuje zestaw edukacyjny oparty na cyfrowej mikrofluidyce. Jako konkretny przykład podano protokół eksperymentu chemiluminescencji na bazie luminolu. Posiada również możliwość obrazowania fluorescencyjnego i zamkniętą wilgotną obudowę opartą na rozpylacza ultradźwiękowym, aby zapobiec parowaniu. Zestaw można zmontować w krótkim czasie i przy minimalnym przeszkoleniu w zakresie elektroniki i. Zestaw pozwala zarówno studentom studiów licencjackich/magisterskich, jak i entuzjastom w intuicyjny sposób zdobyć praktyczne doświadczenie w mikrofluidyce i zostać przeszkolonym w zakresie zapoznania się z cyfrową mikrofluidyką.
Wprowadzenie
Mikrofluidyka to wysoce interdyscyplinarna dziedzina łącząca fizykę, chemię, biologię i inżynierię w celu manipulowania małymi objętościami cieczy, od femtolitrów do mikrolitrów1. Mikrofluidyka jest również bardzo szeroką i aktywną dziedziną; wyszukiwanie w bazie Web of Science zwraca prawie 20 000 publikacji, a mimo to brakuje literatury i artykułów przeglądowych na temat wykorzystania mikrofluidyki jako narzędzia edukacyjnego2. Istnieją dwa wartościowe, choć nieaktualne artykuły przeglądowe autorstwa Legge oraz Fintschenko3,4. Legge przybliża pedagogom ideę laboratorium na chipie3. Fintschenko wskazał na rolę laboratoriów nauczania mikrofluidyki w edukacji STEM (Science Technology Engineering Mathematics) i uprościł te koncepcje do haseł „nauczanie mikrofluidyki” oraz „wykorzystanie mikrofluidyki”4. Nowszy przegląd autorstwa Rackusa, Ridel-Kruse i Pamme z 2019 roku wskazuje, że poza interdyscyplinarnym charakterem, mikrofluidyka jest również przedmiotem wymagającym dużego zaangażowania praktycznego2. Działalność praktyczna związana z mikrofluidyką skłania studentów do uczenia się opartego na badaniach i sprawia, że jest to angażujące narzędzie komunikacji naukowej i działań popularyzatorskich. Mikrofluidyka oferuje rzeczywiście ogromny potencjał dla edukacji naukowej zarówno w ujęciu formalnym, jak i nieformalnym, a także stanowi idealne „narzędzie” do rozbudzania entuzjazmu i edukowania opinii publicznej na temat interdyscyplinarnego aspektu współczesnej nauki.
Przykłady takie jak tanie urządzenia z mikrokanałami, mikroprzepływy papierowe oraz cyfrowa mikroprzepływowość stanowią idealne narzędzia do celów edukacyjnych. Wśród tych platform cyfrowa mikroprzepływowość pozostaje dziedziną niszową, a brakuje recenzowanych raportów opartych na tej technologii2. Proponujemy wykorzystanie cyfrowej mikroprzepływowości jako narzędzia edukacyjnego z kilku powodów. Po pierwsze, cyfrowa mikroprzepływowość znacząco różni się od paradygmatu opartego na mikrokanałach, ponieważ opiera się na manipulowaniu kroplami i wykorzystywaniu ich jako dyskretnych mikonaczynia. Po drugie, krople są manipulowane na stosunkowo generycznych platformach z matrycami elektrod, dzięki czemu cyfrowa mikroprzepływowość może być ściśle powiązana z mikroelektroniką. Użytkownicy mogą korzystać z rozszerzonego zestawu komponentów elektronicznych, obecnie łatwo dostępnych w zastosowaniach typu „zrób to sam”, aby elektronicznie interfejsować z kroplami. W związku z tym twierdzimy, że cyfrowa mikroprzepływowość pozwala studentom doświadczyć tych unikalnych aspektów i zachęca do otwartego podejścia, aby nie ograniczali się wyłącznie do mikroprzepływów opartych na mikrokanałach przy niskich liczbach Reynoldsa1.
Krótko mówiąc, dziedzina cyfrowej mikrofluidyki opiera się w dużej mierze na zjawisku elektrowettingu, które po raz pierwszy opisał Gabriel Lippmann5,6. Nowsze rozwomnienia zostały zainicjowane przez Bergego na początku lat 90.7. Jego kluczowym wkładem była idea wprowadzenia cienkiego izolatora oddzielającego przewodzący ciecz od metalowych elektrod w celu wyeliminowania problemu elektrolizy. Koncepcja ta została nazwana elektrowettingiem na dielektryku (EWOD). Następnie cyfrowa mikrofluidyka została spopularyzowana przez kilku pionierskich badaczy8,9. Obecnie w zakresie cyfrowej mikrofluidyki udowodniono szeroką gamę zastosowań, na przykład w diagnostyce klinicznej, chemii i biologii10,11,12, co sprawia, że dostępnych jest wiele przykładów do celów edukacyjnych. W szczególności, w nurcie niskokosztowej cyfrowej mikrofluidyki typu „zrób to sam”, Abdelgawad i Wheeler opisali wcześniej niskokosztowe, szybkie prototypowanie układów mikrofluidycznych13,14. Fobel i wsp. opisali również DropBot jako system sterowania cyfrową mikrofluidyką typu open source15. Yafia i wsp. zgłosili natomiast przenośny system cyfrowej mikrofluidyki oparty na elementach drukowanych w 3D i niewielkim telefonie16. Alistar i Gaudenz opracowali również zasilaną bateryjnie platformę OpenDrop, która opiera się na macierzy tranzystorów polowych i sterowaniu prądem stałym dc17.
W niniejszej pracy przedstawiamy edukacyjny zestaw do cyfrowej mikrofluidyki oparty na komercyjnie zamówionej płytce drukowanej (PCB), który umożliwia użytkownikowi montaż oraz zdobycie praktycznego doświadczenia w zakresie cyfrowej mikrofluidyki (Rysunek 1). Usługi wytwarzania płytek PCB na podstawie cyfrowych plików projektowych są powszechnie dostępne, dlatego uważamy, że jest to opłacalne i niskokosztowe rozwiązanie edukacyjne, pod warunkiem udostępnienia plików projektowych. Staranny dobór komponentów oraz projekt systemu zostały opracowane w celu uproszczenia procesu montażu i uczynienia interfejsu użytkownika intuicyjnym. W związku z tym zastosowano konfigurację jednopłytkową zamiast dwupłytkowej, aby uniknąć konieczności stosowania płyty górnej. Zarówno komponenty, jak i odczynniki testowe muszą być łatwo dostępne. Na przykład jako izolator w naszym zestawie wykorzystano folię spożywczą dostępną w supermarkecie.
Aby udowodnić funkcjonalność naszego zestawu, proponujemy konkretny eksperyment chemiczny oparty na chemiluminescencji luminolu i przedstawiamy odpowiedni protokół. Mamy nadzieję, że wizualna obserwacja chemiluminescencji zdoła zainteresować i zaciekawić studentów. Luminol jest związkiem chemicznym, który po zmieszaniu z utleniaczem, takim jak H2O2, emituje niebieską poświatę i jest powszechnie stosowany w kryminalistyce do wykrywania krwi18. W warunkach laboratoryjnych rolę katalizatora pełni ferrycyjanek potasu. Luminol reaguje z jonem wodorotlenkowym, tworząc dianion. Dianion ten reaguje następnie z tlenem z nadtlenku wodoru, tworząc kwas 5-aminoftalowy z elektronami w stanie wzbudzonym, a relaksacja elektronów ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego skutkuje emisją fotonów widocznych jako rozbłysk niebieskiego światła.
Raportujemy również eksperyment obrazowania fluorescencyjnego z użyciem smartfona, aby zademonstrować integrację diody emitującej światło (LED) jako źródła światła wzbudzenia. Wreszcie, odparowywanie kropli jest problemem w mikrofluidyce, który rzadko jest podejmowany. (Kropla wody o objętości 1 μL znika w ciągu 1 h z otwartego podłoża3.) Używamy atomizera opartego na wysokoczęstotliwościowym przetworniku piezoelektrycznym do zamiany wody w drobną mgiełkę. Tworzy to nawilżone środowisko zapobiegające odparowywaniu kropli i demonstruje długoterminowe (~1 h) sterowanie kroplą.
Rycina 1: Schematy układu EWOD. (a) Mikrokontroler służy do sterowania sekwencją sygnałów przesyłanych do elektrody EWOD. Kontrolowana jest również wilgotność. (b) Schematy układu PCB. Oznaczono elektrody, diodę LED do obrazowania fluorescencyjnego, rezystor oraz tranzystory polowe (FET). Przedstawiono również pasek skali 1 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 2: Widok zestawu z góry. Oznaczono płytkę mikrokontrolera, płytkę zasilacza wysokiego napięcia, PCB EWOD, czujnik wilgotności oraz atomizer. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1) Składanie zestawu do cyfrowej mikrofluidyki
- rezystory do montażu powierzchniowego, tranzystory i diody elektroluminescencyjne na płytce PCB zgodnie ze schematami w Rysunek 1b.
- Podłącz wyjście płytki zasilacza wysokonapięciowego do płytki PCB z przylutowanymi elementami ( Rysunek 2 i Rysunek uzupełniający 1).
- Podłącz akumulator do płytki wzmacniacza napięcia, aby zwiększyć napięcie z 6 V do 12 V (Rysunek 2 i Rysunek uzupełniający 1).
- Podłącz płytkę zasilania wysokiego napięcia do płytki wzmacniacza napięcia, aby zwiększyć napięcie z 12 V do ~230 V (Rysunek 2 i Rysunek uzupełniający 1).
- Podłącz czujnik wilgotności do płytki mikrokontrolera. Podłącz ultradźwiękowy rozpylacz piezoelektryczny i płytkę sterownika atomizera do płytki mikrokontrolera (Rysunek 2 i rysunek uzupełniający 1).
- Umieść cały zestaw w akrylowej obudowie o wymiarach 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
- Włącz mikrokontroler za pomocą kodu (kod dodatkowy) i użyj multimetru cyfrowego do pomiaru napięcia elektrody EBUD, aby upewnić się, że napięcie wyjściowe wynosi ~230 V. Wyreguluj rezystor zmienny płytki zasilania wysokiego napięcia tak, aby napięcie wyjściowe wynosiło ~230 V (rysunek uzupełniający 2).
2) Przygotowanie izolatora na tablicy elektrod
- Nosić czyste rękawice nitrylowe. Za pomocą mikropipety nałóż ~10 μL oleju silikonowego o pojemności 5 cSt na obszar elektrody i palcem równomiernie rozprowadź olej silikonowy na obszarze elektrody. Należy pamiętać, że olej silikonowy służy jako wypełnienie między elektrodą a izolatorem folii spożywczej oraz w celu uniknięcia szczeliny powietrznej.
- Wytnij kawałek folii spożywczej o wymiarach około 2,5 cm x 4 cm i umieść go na elektrodzie. Za pomocą mikropipety nałóż ~10 μl oleju silikonowego o pojemności 5 cSt na obszar elektrody i palcem równomiernie rozprowadź olej silikonowy. Należy pamiętać, że olej silikonowy służy jako warstwa hydrofobowa na wierzchu izolatora.
3) Eksperyment chemiluminescencyjny oparty na luminolu
- Wymieszać 0,25 g luminolu i 1,6 g NaOH w 25 ml wody dejonizowanej w zlewce ze szklanym mieszadłem, aby uzyskać roztwór.
- Wymieszać 20 ml roztworu z poprzedniego etapu z 20 ml 3% nadtlenku wodoru.
- Za pomocą mikropipety umieść 2-5 μl roztworu luminolu z poprzedniego kroku na elektrodzie docelowej.
- Za pomocą mikropipety umieść 10 μl 0,1% w/w żelazocyjanku potasu na elektrodzie. Należy pamiętać, że jest to kropla, która ma być przenoszona w celu elektrozwilżania.
- Włącz mikrokontroler, aby przesunąć 10 μl kropli żelazocyjanku potasu w celu połączenia się z luminolem.
4) Eksperyment z obrazowaniem fluorescencyjnym
- Wytnij kawałek taśmy półprzezroczystej o wymiarach ~1 cm x 1 cm. Umieść taśmę półprzezroczystą pomiędzy diodą wzbudzającą elektrodę elektrodową a elektrodami EBUD.
- Przymocuj filtr z kolorowego szkła emisyjnego do aparatu smartfona za pomocą taśmy.
- Zmieszać 2,5 mg izotiocyjanianu fluoresceiny w wodnym roztworze etanolu (3% m/m).
- Odpipetować ~10 μL roztworu z poprzedniego kroku na jedną z elektrod.
- Włącz mikrokontroler.
- Użyj smartfona, aby nagrać film z aktywacji kropli.
5) Długoterminowy eksperyment z uruchamianiem kropelek za pomocą ultradźwiękowego atomizera
- Umieść 1 ml wody na rozpylacza ultradźwiękowym. Należy pamiętać, że kod został napisany tak, aby używał algorytmu progowego sprzężenia zwrotnego w celu utrzymania poziomu wilgotności powyżej 90%.
- Umieścić kroplę o pojemności 10 μl za pomocą mikropipety. Włącz mikrokontroler i natychmiast zamknij pokrywę obudowy.
- Poczekaj ~1 h. Sprawdź wzrokowo działanie kropli.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Aktywację kropli rejestruje się za pomocą smartfona. Reprezentatywne wyniki obrazowania chemiluminescencyjnego i fluorescencyjnego przedstawiono na Rysunku 3 oraz Rysunku 4. W eksperymencie chemiluminescencyjnym kropla 10 μL ferrycyjanku jest przemieszczana i mieszana z uprzednio naniesioną kroplą 2 μL na elektrodzie docelowej, jak pokazano na Rysunku 3. Odstęp czasu między kolejnymi ruchami ustalono...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Opisana tutaj procedura pozwala czytelnikowi na złożenie i przetestowanie działającego systemu EWOD do uruchamiania kropel oraz zdobycie praktycznego doświadczenia z mikrofluidyką. Celowo unikamy drogich komponentów i próbek chemicznych. Obecnie jeden zestaw można skonstruować za ~ 130 USD, a najdroższym komponentem jest kolorowe szkło optyczne do obrazowania fluorescencyjnego i mikrokontroler z wyłączeniem niestandardowej obudowy akrylowej (tabela uzupełniająca 1). Za taką cenę dołączona jest również mo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Y. T. Y. pragnie podziękować za wsparcie finansowe ze strony Ministerstwa Nauki i Technologii w ramach grantu numer MOST 107-2621-M-007-001-MY3 oraz Narodowego Uniwersytetu Tsing Hua w ramach grantu numer 109Q2702E1. Mark Kurban z Edanz Group (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac) zredagował szkic tego rękopisu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Obudowa akrylowa | LOKALNY sprzedawca | 23cm x 20,5 cm x 6cm | |
| Ardunion Uno | Płytka mikrokontrolera | Arduino | UNO |
| kwas octowy | Sigma Alrich | 695092-100ML | |
| Płytka stykowa | MCIGICM | 400tie | 4 cm x 7 cm, 400 punktów Płytka stykowa bez, zestaw 4 |
| BSP89 H6327 Infineon MOSFET | Mouser | 726-BSP89H6327 | przebicia źródła odpływu 240 V, rezystancja 4,2 oma |
| kwas cytrynowy | sigma Alrich | 251275-100G | |
| Filtr ze szkła kolorowego | kolorowego Thorlabs | FGL 530 | do obrazowania fluorescencyjnego |
| Czujnik temperatury i wilgotności DHT11 | adafruit | ||
| Multimetr cyfrowy | Fluke | 17B | |
| Izomer izotiocyjanianu fluoresceiny I | sigma Alrich | F7250-50MG | 50 mg cena, obrazowanie fluorescencyjne |
| Glycerol | Sigma Alrich | G9012-500ML | |
| Zasilacz wysokonapięciowy do rurki Nixe | Vaorwne | NCH6100HV | Moc wysokiego napięcia max dc 235V |
| LM2596 napięcie doładowania obwodu | od 5V do 12 V | ||
| Luminol | Sigma Alrich | 123072-5G | 5 g za 110 USD |
| Pippet | Thermal Fisher | 1-10 ul | |
| Płytka drukowana | Lokalny sprzedawca | 10 sztuk za 60 USD | |
| Plastikowa folia spożywcza | Kirkland | Stretch-tite | folia spożywcza Plastikowa folia spożywcza |
| Żelazicynek potasu | Merck | 104982 | 1 kg |
| 1N Wodorotlenek potasu, roztwór (1 mol/l) | Scharlau | 1-litrowa | |
| przezroczysta taśma biurowa 3 mm | 3M Scotch | półprzezroczysta, używana jako dyfuzor do | |
| soli | Sól | 6 uncji za 7 USD soli z supermarketu | |
| Olej silikonowy (5Cst) | Sigma Alrich | 317667-250ML | górna warstwa hydrofobowa i warstwa wypełniająca między elektrodą a |
| sacharozą | izolatoraCukier stołowy z dowolnego supermarketu, 6 dolarów za funt | ||
| Niebieska dioda LED do montażu powierzchniowego | oznium | 3528 | Oznium 20 sztuk diod LED do montażu powierzchniowego PLCC-2, 3528 Rozmiar SMD SMT LED - Niebieski |
| Rezystor do montażu powierzchniowego 180k Ohm | Balance World Inc | 3mm x 6 mm 1watt | |
| Rezystor do montażu powierzchniowego 510Ohm | Balance World Inc | do LED, 3mmx6mm 1watt | |
| Atomizer wody | Grove | częstotliwość pracy 100 kHz zasilanie 5V max 2W W zestawie znajduje się przetwornik | |
| tranzystor wysokiego napięcia | |||
Bibliografia
- Convery, N., Gadegaard, N. 30 years of microfluidics. Micro and Nano Engineering. 2, 76-91 (2019).
- Rackus, D. G., Ridel-Kruse, I. H., Pamme, N. Learning on a chip: Microfluidics for formal and informal science education. Biomicrofluidics. 13, 041501(2019).
- Legge, C. H. Chemistry under the microscope-Lab on a chip technologies. Journal of Chemical Education. 79, 173(2002).
- Fintschenko, Y. Education: a modular approach to microfluidics in the teaching laboratory. Lab On A Chip. 11, 3394(2011).
- Mugele, F., Baret, J. -C. Electrowetting: from basics to applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 17, 705-774 (2005).
- Lippmann, G. Relations entre les phenomenes electriques et capillary. Ann. Chim. Phys. 6, 494(1875).
- Berge, B. Electrocapillarite et mouillge de films isolant par l'eau. C. R. Acad. Sci. II. 317, 157(1993).
- Pollack, M. G., Fair, R. B., Shenderov, A. D. Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidics applications. Applied Physics Letters. 77, 1725(2000).
- Lee, J., Kim, C. J. Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 171(2000).
- Choi, K., Ng, A. H. C., Fobel, R., Wheeler, A. R. Digital Microfluidics. Annual Review of Analalytical Chemistry. 5, 413-440 (2012).
- Jebrail, M. J., Wheeler, A. R. Let's get digital: digitizing chemical biology with microfluidics. Current Opinion in Chemical Biology. 14, 574-581 (2000).
- Pollack, M. G., Pamula, V. K., Srinivasan, V., Eckhardt, A. E. 2011. Applications of electrowetting-based digital microfluidics in clinical diagnostics. Expert Review of Molecular Diagnostics. 11, 393-407 (2011).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Rapid prototyping in copper substrates for digital microfluidics. Advanced Materials. 19 (1), 133-137 (2007).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Low-cost, rapid-prototyping of digital microfluidics devices. Microfluidics and Nanofluidics. 4, 349-355 (2008).
- Fobel, R., Fobel, C., Wheeler, A. R. DropBot: an open-source digital microfluidic control system with precise control of electrostatic driving force and instantaneous drop velocity measurement. Applied Physics Letters. 102, 193513(2013).
- Yafia, M., Ahmadi, A., Hoorfar, M., Najjaran, H. Ultra-portable smartphone controlled integrated digital microfluidic system in a 3D-printed modular assembly. Micromachines. 6 (9), 1289-1305 (2015).
- Alistar, M., Gaudenz, U. OpenDrop: an integrated do-it-yourself platform for personal use of biochips. Bioengineering. 4 (2), 45(2017).
- Khan, P., et al. Luminol-based chemiluminescent signals: clinical and non-clinical application and future uses. Applied Biochemistry and Biotechnology. 173 (2), 333-355 (2014).
- Agresti, J. J., et al. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (9), 4004-4009 (2010).
- Microfluidics. , Available from: https://microfluidics.utoronto.ca/dropbot/ (2020).
- Busnel, J. M., et al. Evaluation of capillary isoelectric focusing in glycerol-water media with a view to hydrophobic protein applications. Electrophoresis. 26, 3369-3379 (2005).
- Chatterjee, D., Shepherd, H., Garrell, R. L. Electromechanical model for actuating liquids in a two plate droplet microfluidic device. Lab On A Chip. 9, 1219-1229 (2009).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
