$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mikrofluidyka to wysoce interdyscyplinarna dziedzina łącząca fizykę, chemię, biologię i inżynierię do manipulowania małymi objętościami płynów, od femtolitrów do mikrolitrów1. Mikrofluidyka jest również bardzo szeroką i aktywną dziedziną; Wyszukiwanie w Web of Science zwraca prawie 20 000 publikacji, ale nie ma wystarczającej ilości literatury i prac przeglądowych na temat wykorzystania mikrofluidyki jako narzędzia edukacyjnego2. Istnieją dwa wnikliwe, choć przestarzałe artykuły przeglądowe autorstwa Legge i Fintschenko3,4. Legge zapoznaje nauczycieli z ideą laboratorium na chipie3. Fintschenko zwrócił uwagę na rolę laboratorium nauczania mikrofluidyki w nauczaniu nauk ścisłych, technologii, inżynierii, matematyki (STEM) i uprościł filozofie do "nauczaj mikrofluidyki" i "używaj mikrofluidyki"4. Nowsza recenzja przeprowadzona przez Rackusa, Ridela-Kruse'a i Pamme'a w 2019 roku wskazuje, że mikrofluidyka jest nie tylko interdyscyplinarna z natury, ale także bardzo praktycznym tematem2. Praktyczna aktywność związana z praktyką mikrofluidyki umożliwia uczniom uczenie się oparte na dociekaniu i sprawia, że jest to angażujące narzędzie do komunikacji naukowej i popularyzacji. Mikrofluidyka rzeczywiście oferuje duży potencjał w nauczaniu przedmiotów ścisłych zarówno w środowisku formalnym, jak i nieformalnym, a także jest idealnym "narzędziem" do zachwycenia i edukowania ogółu społeczeństwa na temat interdyscyplinarnego aspektu nowoczesnych nauk.
Przykłady takie jak tanie urządzenia mikrokanałowe, mikrofluidyka papierowa i mikrofluidyka cyfrowa są idealnymi narzędziami do celów edukacyjnych. Wśród tych platform, cyfrowa mikrofluidyka pozostaje ezoteryczna, a recenzowane raporty oparte na cyfrowej mikrofluidyce nie są dostępne2. W tym miejscu proponujemy wykorzystanie mikrofluidyki cyfrowej jako narzędzia edukacyjnego z kilku powodów. Po pierwsze, mikrofluidyka cyfrowa bardzo różni się od paradygmatu opartego na mikrokanałach, ponieważ opiera się na manipulacji kropelkami i wykorzystaniu kropel jako dyskretnych mikronaczyń. Po drugie, kropelkami manipuluje się na stosunkowo ogólnych platformach elektrodowych, dzięki czemu cyfrowa mikrofluidyka może być ściśle powiązana z mikroelektroniką. Użytkownicy mogą korzystać z rozszerzonego zestawu komponentów elektronicznych, które są teraz łatwo dostępne dla aplikacji typu "zrób to sam" w celu elektronicznego łączenia się z kropelkami. W związku z tym twierdzimy, że cyfrowa mikrofluidyka może pozwolić uczniom doświadczyć tych unikalnych aspektów i być otwartymi, aby nie trzymać się mikrofluidyki opartej na mikrokanałach o niskiej liczbie Reynolda1.
Krótko mówiąc, dziedzina mikrofluidyki cyfrowej opiera się głównie na zjawisku elektrozwilżania, które po raz pierwszy opisał Gabriel Lippmann5,6. Ostatnie zmiany zostały zainicjowane przez Berge na początku lat 907. Jego kluczowym wkładem jest pomysł wprowadzenia cienkiego izolatora do oddzielania cieczy przewodzącej od metalowych elektrod w celu wyeliminowania problemu elektrolizy. Idea ta została określona jako elektrozwilżanie na dielektryku (EWOD). Następnie cyfrowa mikrofluidyka została spopularyzowana przez kilku pionierskich badaczy8,9. Teraz obszerna lista zastosowań, na przykład w diagnostyce klinicznej, chemii i biologii, została sprawdzona w cyfrowej mikrofluidyce10,11,12, a zatem dostępnych jest wiele przykładów dla środowiska edukacyjnego. W szczególności, zgodnie z linią tanich cyfrowych mikrofluidyków typu "zrób to sam", Abdelgawad i Wheeler wcześniej informowali o tanim, szybkim prototypowaniu cyfrowej mikrofluidyki13,14. Fobel i in. opisali również DropBot jako cyfrowy system sterowania mikroprzepływami o otwartym kodzie źródłowym15. Yafia i wsp., również opisali przenośną cyfrową mikrofluidykę opartą na częściach drukowanych w 3D i mniejszych phone16. Alistar i Gaudenz opracowali również zasilaną bateryjnie platformę OpenDrop, która jest oparta na matrycy tranzystorów polowych i aktywacji prądu stałego17.
Tutaj prezentujemy cyfrowy zestaw edukacyjny mikrofluidyki oparty na komercyjnie pozyskanej płytce drukowanej (PCB), który pozwala użytkownikowi złożyć i zdobyć praktyczne doświadczenie z cyfrową mikrofluidyką (Rysunek 1). Opłata za usługę tworzenia PCB z cyfrowych plików projektowych jest powszechnie dostępna, dlatego uważamy, że jest to opłacalne tanie rozwiązanie dla edukacji, pod warunkiem, że cyfrowe pliki projektowe mogą być udostępniane. Staranny dobór komponentów i projekt systemu ma na celu uproszczenie procesu montażu i sprawienie, że interfejs będzie intuicyjny dla użytkownika. W związku z tym zamiast konfiguracji dwupłytowej stosuje się konfigurację jednopłytkową, aby uniknąć konieczności stosowania płyty górnej. Zarówno składniki, jak i badane substancje chemiczne muszą być łatwo dostępne. Na przykład folia spożywcza z supermarketu jest używana jako izolator w naszym zestawie.
Aby udowodnić wykonalność naszego zestawu, proponujemy konkretny eksperyment chemiczny oparty na chemiluminescencji luminolu i udostępniamy protokół. Jest nadzieja, że wizualna obserwacja chemiluminescencji może zachwycić i zafascynować studentów. Luminol to substancja chemiczna, która wykazuje niebieską poświatę po zmieszaniu ze środkiem utleniającym, takim jakH2O2i jest zwykle używana w kryminalistyce do wykrywania krwi18. W naszych warunkach laboratoryjnych żelazocyjanek potasu służy jako katalizator. Luminol reaguje z jonem wodorotlenkowym i tworzy dianion. Dianion następnie reaguje z tlenem z nadtlenku wodoru, tworząc kwas 5-aminoftalowy z elektronami w stanie wzbudzonym, a relaksacja elektronów ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego powoduje, że fotony są widoczne jako rozbłysk niebieskiego światła.
Informujemy również o eksperymencie z obrazowaniem fluorescencyjnym za pomocą smartfona, aby zademonstrować integrację diody elektroluminescencyjnej (LED) jako źródła światła wzbudzającego. Wreszcie, parowanie kropelek jest problemem w mikrofluidyce, ale rzadko jest rozwiązywane. (1 μl kropli wody jest tracony w ciągu 1 godziny z otwartego podłoża3.) Używamy atomizera opartego na przetworniku piezoelektrycznym wysokiej częstotliwości do przekształcania wody w delikatną mgiełkę. Tworzy to nawilżone środowisko, aby zapobiec parowaniu kropel i demonstruje długotrwałe (~1 h) uruchamianie kropel.
Rysunek 1: Schematy konfiguracji EBUD. (a) Mikrokontroler służy do dostarczania sekwencji sterującej do elektrody EWOD. Wilgotność jest również kontrolowana. (b) Schematy układu PCB. Elektrody, diody LED do obrazowania fluorescencyjnego, rezystory i tranzystory polowe (FET) są oznaczone. Pokazana jest również skala o długości 1 cm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Rysunek 2: Widok zestawu z góry. Płytka mikrokontrolera, płytka zasilająca wysokiego napięcia, płytka PCB EWOD, czujnik wilgotności i atomizer są oznaczone. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.