Wszechstronny zestaw oparty na cyfrowym uruchamianiu kropelkowym mikrofluidyki do nauczania przedmiotów ścisłych
26 kwietnia 2021
Opisujemy zestaw edukacyjny, który pozwala użytkownikom przeprowadzać wiele eksperymentów i zdobywać praktyczne doświadczenie w zakresie cyfrowej mikrofluidyki.
Przedstawiamy zestaw edukacyjny dotyczący mikrofluidyki cyfrowej oparty na komercyjnie pozyskanej płytce drukowanej, która pozwala użytkownikowi zdobyć praktyczne doświadczenie z mikrofluidyką cyfrową. Jest to opłacalne i tanie rozwiązanie dla edukacji, pod warunkiem, że cyfrowe pliki projektowe PCB mogą być udostępniane. Proponujemy wykorzystanie mikrofluidyki cyfrowej jako narzędzia edukacyjnego, ponieważ kropelki są manipulowane na ogólnych platformach matryc elektrodowych.
Użytkownicy mogą korzystać z rozszerzonego zestawu komponentów elektronicznych, które są teraz łatwo dostępne dla aplikacji typu "zrób to sam", aby elektronicznie łączyć się z kropelkami. Procedurę zademonstruje Yu Hao Guo, doktorant z Laboratorium Yang. Zacznij od przylutowania rezystorów do montażu powierzchniowego, tranzystorów i diod elektroluminescencyjnych na płytce PCB.
Podłącz wyjście płytki zasilacza wysokiego napięcia do płytki PCB z przylutowanymi komponentami. Następnie podłącz akumulator do płytki wzmacniacza napięcia, aby zwiększyć napięcie z sześciu woltów do 12 woltów. Podłącz czujnik wilgotności, ultradźwiękowy rozpylacz piezoelektryczny i płytkę sterownika atomizera do płytki mikrokontrolera.
Włącz mikrokontroler za pomocą dostarczonego kodu dodatkowego. Wyreguluj rezystor zmienny płytki wysokiego napięcia i użyj multimetru cyfrowego do pomiaru napięcia elektrody EWOD. Załóż czyste rękawice nitrylowe i nałóż 10 mikrolitrów oleju silikonowego o średnicy pięciu centystoków na obszar elektrody za pomocą mikropipety.
Rozprowadź olej równomiernie na obszarze elektrody za pomocą palca. Wytnij kawałek folii spożywczej o wymiarach 2,5 na cztery centymetry i umieść go na elektrodzie. Nałóż olej silikonowy na obszar elektrody za pomocą mikropipety i równomiernie rozprowadź.
Aby przeprowadzić eksperyment chemiluminescencyjny, umieść od dwóch do pięciu mikrolitrów roztworu luminolu na elektrodzie docelowej za pomocą mikropipety. Umieść 10 mikrolitrów 0,1% żelazocyjanku potasu na elektrodzie, którą można przesuwać jako kropelkę w celu elektrozwilżania. Włącz mikrokontroler tak, aby kropla żelazocyjanku potasu połączyła się z luminolem.
W przypadku obrazowania fluorescencyjnego wytnij jednocentymetrowy kawałek półprzezroczystej taśmy i umieść go między diodą elektroluminescencyjną wzbudzającą a elektrodami EWOD. Przymocuj szklany filtr emisyjny do aparatu smartfona za pomocą taśmy i umieść 10 mikrolitrów roztworu żelazocyjanku potasu na elektrodach. Nagraj wideo z aktywacji kropli za pomocą smartfona.
W celu długotrwałego uruchomienia kropelki umieść jeden mililitr wody na rozpylacza ultradźwiękowym. Umieść kroplę żelazocyjanku potasu i włącz mikrokontroler. Następnie natychmiast zamknij pokrywę obudowy.
Sprawdź działanie kropli po godzinie. Reprezentatywny ruch kropel jest pokazany tutaj. W eksperymencie chemiluminescencji kropla żelazocyjanku jest uruchamiana tak, aby poruszała się i mieszała ze wstępnie osadzoną kroplą luminolu na elektrodzie docelowej po 12 sekundach.
Pokazano tutaj schematyczny układ diody LED służącej jako źródło światła do wzbudzenia, półprzezroczystej taśmy biurowej jako dyfuzora światła oraz filtra emisyjnego bezpośrednio przymocowanego do aparatu smartfona. Obrazowanie fluorescencyjne kropli zawierającej izotiocyjanian fluoresceiny w ciemności jest postrzegane jako wynik półprzezroczystej taśmy służącej jako dyfuzor do równomiernego rozprowadzania światła wzbudzającego. W przypadku długoterminowego eksperymentu można zaobserwować udane uruchamianie kropel.
Reprezentatywne dane dotyczące wilgotności pod wpływem rozpylacza ultradźwiękowego przedstawiono tutaj. Protokół ten można wykorzystać do opracowania zestawu edukacyjnego opartego na mikrofluidyce cyfrowej. Jako konkretny przykład podano eksperyment chemiluminescencyjny oparty na luminolu
.Zestaw można zmontować w krótkim czasie i przy minimalnym przeszkoleniu w zakresie elektroniki. Opisany tutaj uproszczony eksperyment można rozszerzyć na inne eksperymenty. Na przykład można użyć papierowego zestawu testowego, przesuwając kroplę na papier, który ma zostać wchłonięty.
Można również dodać mikrokontroler z obwodem logicznym interfejsu, aby zapewnić bardziej wyrafinowane cyfrowe sterowanie i programowalność. Protokół ten może przynieść korzyści nieprofesjonalnym entuzjastom w nauce i zastosowaniu elektroniki w celu dalszego pogłębiania wiedzy w tej dziedzinie.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł przedstawia edukacyjny zestaw do mikrofluidyki cyfrowej, który umożliwia użytkownikom zdobycie praktycznego doświadczenia z mikrofluidyką cyfrową. Jest to niskobudżetowe rozwiązanie do celów edukacyjnych, wykorzystujące komercyjną płytkę drukowaną.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Mikrofluidyka cyfrowa
- Narzędzia edukacyjne
- Praktyczne nauka
Tło
- Mikrofluidyka cyfrowa polega na manipulacji kroplami na platformach z mikroelektrodami.
- Rozwijająca się dostępność komponentów elektronicznych dla zastosowań DIY.
- Zestawy edukacyjne mogą poprawić doświadczenia edukacyjne w dziedzinach naukowych.
- Wykorzystanie plików do projektowania PCB do celów edukacyjnych może ułatwić udostępnianie zasobów.
Cel badania
- Aby zapewnić praktyczne narzędzie edukacyjne do zrozumienia mikrofluidyki cyfrowej.
- Aby umożliwić praktyczne eksperymentowanie z manipulacją kroplami.
- Aby zademonstrować montaż i użycie zestawu do mikrofluidyki cyfrowej.
Stosowane metody
- Montaż płytki drukowej (PCB) z komponentami do montażu powierzchniowego.
- Wykorzystanie rezystorów, tranzystorów i diod elektroluminescencyjnych.
- Praktyczne demonstracje prowadzone przez studenta ukończonego studia.
- Dostęp do plików do projektowania cyfrowego do celów edukacyjnych.
Główne wyniki
- Sukces w zmontowaniu zestawu do mikrofluidyki cyfrowej.
- Użytkownicy zdobywają praktyczne doświadczenie w manipulacji kroplami.
- Demonstracja potencjału edukacyjnego mikrofluidyki cyfrowej.
- Zwiększona dostępność komponentów elektronicznych do edukacji.
Wnioski
- Edukacyjny zestaw jest wykonalnym rozwiązaniem do nauczania mikrofluidyki cyfrowej.
- Praktyczne doświadczenie poprawia zrozumienie zasad mikrofluidyki.
- Dzielenie się plikami do projektowania cyfrowego może promować współpracę w nauce.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Digital microfluidics platforms, such as the described educational kit, provide foundational exposure to droplet actuation and manipulation, which are core to assay miniaturization and automation in biopharma R&D. Early familiarity with programmable microfluidic systems supports the development of next-generation screening and analytical workflows. This capability underpins scalable, reproducible, and quantitative experimentation essential for discovery-stage innovation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hands-on interrogation of droplet-based reaction dynamics relevant to assay development.
- Supports functional validation of microfluidic control for biological de-risking.
- Facilitates rapid prototyping of programmable workflows for hypothesis testing.
Screening & Assay Development
- Prepares validated droplet actuation systems for downstream compound screening.
- Demonstrates reproducible manipulation of small volumes for quantitative assay outputs.
- Supports standardization of microfluidic platforms for scalable screening readiness.
Translational & Preclinical Research
- Provides a foundation for adapting microfluidic workflows to disease-relevant models.
- Enables continuity from discovery-stage droplet manipulation to preclinical assay formats.
- Supports predictive de-risking by enabling programmable and quantitative experimentation.
Pipeline & Workflow Integration
This digital microfluidics kit positions programmable droplet actuation at the interface of early discovery and assay development, supporting the transition from hypothesis-driven experimentation to scalable screening workflows.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification through programmable droplet manipulation.
- Screening: Demonstrates assay readiness and reproducibility for quantitative outputs.
- Analytics: Enables measurement and comparison of reaction conditions via chemiluminescence and fluorescence readouts.
- Translational Research: Lays groundwork for adapting microfluidic methods to preclinical and disease-relevant systems.
- Enterprise Reuse: Provides a reusable, modular platform for iterative workflow development and training.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in droplet-based assays.
- Operational Value: Promotes standardization, reproducibility, and scalability of microfluidic workflows.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient assay development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of microfluidic-enabled programs.
Implementation Considerations
- Requires basic scientific and electronics expertise for assembly and operation.
- Needs access to standard laboratory instrumentation and analytical tools for readout.
- Benefits from cross-team standardization of droplet actuation protocols.
- Adaptable to various model systems with minor modifications to platform components.
- Limited to educational and prototyping use; not validated for regulated or clinical workflows.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:58
Assembling the Digital Microfluidics Kit and Preparation of Insulator on the Electrode Array
2:20
Chemiluminescence, Fluorescent Imaging, and Long-Term Droplet Actuation Experiment
3:45
Results: The Analysis of the Droplet Movement in Fluorescent Imaging and Under the Control of Ultrasonic Atomizer
4:43
Conclusion
