Descrevemos um kit educacional que permite aos usuários executar vários experimentos e ganhar experiência prática em microfluidos digitais.
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Artigo de método
Um Kit Versátil baseado em atuação de gotículas de microfluídicas digitais para educação científica
Neste artigo
Resumo
Resumo
Este artigo descreve um kit educacional baseado em microfluidos digitais. Um protocolo para experimento de chemiluminescência baseado em luminol é relatado como um exemplo específico. Também tem capacidade de imagem fluorescente e gabinete umidificado fechado baseado em um atomizador ultrassônico para evitar a evaporação. O kit pode ser montado em um curto período de tempo e com treinamento mínimo em eletrônica e solda. O kit permite que estudantes de graduação/pós-graduação e entusiastas obtenham experiência prática em microfluidos de forma intuitiva e sejam treinados para obter familiaridade com microfluidos digitais.
Introdução
Microfluidos é um campo altamente interdisciplinar que penteia física, química, biologia e engenharia para a manipulação de pequenos volumes de líquidos que vão de femtoliter a microliters1. A microfluidics também é um campo muito amplo e ativo; uma pesquisa da Web of Science retorna quase 20.000 publicações e ainda não há literatura suficiente e artigos de revisão sobre o uso de microfluidos como ferramenta educacional2. Existem dois artigos de revisão perspicazes, embora desatualizados por Legge e Fintschenko3,4. Legge apresenta educadores à ideia de um laboratório em um chip3. Fintschenko apontou o papel do laboratório de ensino de microfluidos na educação em Ciência Tecnologia de Engenharia matemática (STEM) e simplificou as filosofias em "ensinar microfluidos" e "usar microfluidos"4. Uma revisão mais recente de Rackus, Ridel-Kruse e Pamme em 2019 aponta que, além de ser interdisciplinar na natureza, os microfluidos também são um assunto muito prático2. A atividade prática relacionada à prática de microfluidos empresta aos alunos a aprendizagem baseada em inquéritos e a torna uma ferramenta envolvente para comunicação científica e divulgação. Os microfluidos, de fato, oferecem muito potencial para a educação científica em ambientes formais e informais e também é uma "ferramenta" ideal para entusiasmar e educar o público em geral sobre o aspecto interdisciplinar das ciências modernas.
Exemplos como dispositivos microcanais de baixo custo, microfluidos de papel e microfluidos digitais são ferramentas ideais para fins educacionais. Entre essas plataformas, faltam microfluidos digitais e relatórios revisados por pares baseados emmicrofluidos digitais. Aqui propomos usar microfluidos digitais como ferramenta educacional por diversas razões. Em primeiro lugar, os microfluidos digitais são muito distintos do paradigma baseado em microcanal, pois baseia-se na manipulação das gotículas e no uso das gotículas como microvexes discretos. Em segundo lugar, as gotículas são manipuladas em plataformas relativamente genéricas de matriz de eletrodos para que os microfluidos digitais possam ser intimamente acoplado com microeletrônicas. Os usuários podem aproveitar um conjunto estendido de componentes eletrônicos, agora altamente acessíveis para aplicativos "faça você mesmo" para interagir eletronicamente com gotículas. Assim, argumentamos que os microfluidos digitais podem permitir que os alunos experimentem esses aspectos únicos e não se abram excessivamente para se ater aos microfluidos de baixo número de reynold baseados em microcanais1.
Resumidamente, o campo dos microfluidos digitais é em grande parte baseado nos fenômenos de eletrowetting, que foi descrito pela primeira vez por Gabriel Lippmann5,6. Os recentes desenvolvimentos foram iniciados por Berge no início da década de 19907. Sua principal contribuição é a ideia de introduzir um isolador fino para separar o líquido condutor dos eletrodos metálicos para eliminar o problema da eletrólise. Essa ideia tem sido denominada como eletrowetting em dielétrica (EWOD). Posteriormente, os microfluidos digitais foram popularizados por vários pesquisadores pioneiros8,9. Agora, uma lista abrangente de aplicações, por exemplo, em diagnósticos clínicos, química e biologia, foi comprovada em microfluidos digitais10,11,12 e, portanto, muitos exemplos estão disponíveis para um ambiente educacional. Em particular, ao longo da linha de microfluidos digitais de baixo custo, faça você mesmo, Abdelgawad e Wheeler já relataram anteriormente prototipagem rápida e de baixo custo de microfluidos digitais13,14. Fobel et al., também relataram o DropBot como um sistema de controle microfluido digital de código aberto15. Yafia et al., também relataram um microfluido digital portátil baseado em peças impressas em 3D e telefone menor16. Alistar e Gaudenz também desenvolveram a plataforma OpenDrop alimentada por bateria, que é baseada no conjunto transistor de efeito de campo e na atuaçãodc 17.
Aqui, apresentamos um kit educativo de microfluidos digitais baseado em placa de circuito impresso de origem comercial (PCB) que permite ao usuário montar e ter experiência prática com microfluidos digitais(Figura 1). Taxa por serviço para criar PCB a partir de arquivos de design digital está amplamente disponível e, portanto, achamos que é uma solução viável de baixo custo para a educação, desde que os arquivos de design digital possam ser compartilhados. A escolha meticulosa de componentes e o design do sistema é feita para simplificar o processo de montagem e fazer uma interface com o intuitivo do usuário. Assim, uma configuração de uma placa é usada em vez de uma configuração de duas placas para evitar a necessidade de uma placa superior. Tanto os componentes quanto os produtos químicos de teste precisam estar facilmente disponíveis. Por exemplo, o envoltório de alimentos do supermercado é usado como isolador em nosso kit.
Para provar a viabilidade do nosso kit, sugerimos um experimento químico específico baseado na quimiomiluminescência de luminol e fornecemos o protocolo. A esperança é que a observação visual da quimiominascência possa entusiasmar e excitar os alunos. Luminol é um produto químico que exibe um brilho azul quando misturado com um agente oxidante como H2O2 e é tipicamente usado na perícia para detectar sangue18. Em nosso ambiente de laboratório, ferricyanida de potássio serve como catalisador. Luminol reage com o íon hidróxido e forma um dianion. O dianion reage posteriormente com oxigênio do peróxido de hidrogênio para formar ácido 5-aminoftálico com elétrons em um estado animado, e o relaxamento dos elétrons do estado animado para o estado terrestre resulta em fótons visíveis como uma explosão de luz azul.
Também relatamos um experimento de imagem fluorescente com um telefone inteligente para demonstrar a integração de um diodo emissor de luz (LED) como fonte de luz de excitação. Finalmente, a evaporação de gotículas é um problema em microfluidos, mas raramente está sendo tratada. (Um 1 μL de gotícula de água é perdido dentro de 1 h de um substrato aberto3.) Usamos um atomizador baseado em um transdutor piezo de alta frequência para converter água em névoa fina. Isso cria um ambiente umidificado para evitar a evaporação de gotículas e demonstra a atuação de gotícula a longo prazo (~1 h).
Figura 1: Esquemas de configuração EWOD. (a) Um microcontrolador é usado para fornecer uma sequência de controle ao eletrodo EWOD. Além disso, a umidade é controlada. (b) Esquemas de layout PCB. Eletrodos, LED para imagem fluorescente, resistor e transistores de efeito de campo (FET) são rotulados. A barra de escala de 1 cm também é mostrada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Vista superior do kit. Placa de microcontrolador, placa de alimentação de alta tensão, PCB EWOD, sensor de umidade e atomizador são rotulados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Protocolo
1) Montagem do kit de microfluidos digitais
- Soldar os resistores de montagem de superfície, transistores e diodos emissores de luz na placa PCB de acordo com os esquemas na Figura 1b.
- Conecte a saída da placa de alimentação de alta tensão à placa PCB com componentes soldados (Figura 2 e Figura Suplementar 1).
- Conecte a bateria à placa de reforço de tensão para aumentar a tensão de 6 V a 12 V (Figura 2 e Figura Suplementar 1).
- Conecte a placa de alimentação de alta tensão à placa de reforço de tensão para aumentar a tensão de 12 V a ~230 V(Figura 2 e Figura Suplementar 1).
- Conecte o sensor de umidade à placa de microcontrolador. Conecte o atomizador piezo ultrassônico e a placa do motorista atomizador à placa microcontroladora(Figura 2 e Figura Suplementar 1).
- Coloque todo o conjunto no gabinete acrílico de dimensões 23 cm x 20,5 cm x 6 cm.
- Ligue o microcontrolador com o código (Código Suplementar) e use o rímetro digital para medir a tensão do eletrodo EWOD para certificar-se de que a tensão de saída é ~230 V. Ajuste o resistor variável da placa de alimentação de alta tensão, de modo que a tensão de saída seja ~230 V ( FiguraSuplementar 2).
2) Preparação do isolador na matriz de eletrodos
- Use luvas de nitrito limpas. Use uma micropipette para aplicar ~10 μL de óleo de silicone de 5 cSt na área do eletrodo e use um dedo para espalhar o óleo de silicone uniformemente na área do eletrodo. Note que o óleo de silicone serve como o enchimento entre o eletrodo e o isolador de envoltório de alimentos e para evitar qualquer airgap.
- Corte um pedaço de envoltório de alimentos com dimensões de aproximadamente 2,5 cm x 4 cm e coloque-o em cima do eletrodo. Use a micropipette para aplicar ~10 μL de óleo de silicone de 5 cSt na área do eletrodo e use um dedo para espalhar uniformemente o óleo de silicone. Note que o óleo de silicone serve como uma camada hidrofóbica em cima do isolador.
3) Experimento de chemiluminescência baseado em luminol
- Misture 0,25 g de luminol e 1,6 g de NaOH em 25 mL de água deionizada em um béquer com um agitador de vidro para obter uma solução.
- Misture 20 mL da solução da etapa anterior com 20 mL de peróxido de hidrogênio de 3%.
- Use uma micropipette para colocar 2-5 μL da solução luminol da etapa anterior no eletrodo alvo.
- Use uma micropipette para colocar 10 μL de 0,1% w/w ferricyande de potássio no eletrodo. Note que esta é a gota a ser movida para eletrowetting.
- Ligue o microcontrolador para mover a gota de 10 μL de ferricyanida de potássio para se fundir com o luminol.
4) Experimento de imagem fluorescente
- Corte um pedaço de fita semi-transparente com dimensões de ~1 cm x 1 cm. Coloque a fita semi-transparente entre o diodo emissor de luz excitação e os eletrodos EWOD.
- Conecte o filtro de vidro de cor de emissão na câmera do telefone inteligente com fita.
- Misture 2,5 mg de isothionato fluoresceína na solução aquosa de etanol (3% w/w).
- Pipeta ~10 μL da solução da etapa anterior em um dos eletrodos.
- Ligue o microcontrolador.
- Use o telefone inteligente para gravar um vídeo de atuação de gotícula.
5) Experimento de atuação de gotículas de longo prazo com atomizador ultrassônico
- Coloque 1 mL de água no atomizador ultrassônico. Observe que o código foi escrito para usar um algoritmo de feedback limiar para manter um nível de umidade acima de 90%.
- Coloque uma gotícula de 10 μL com uma micropipette. Ligue o microcontrolador e feche imediatamente a tampa do gabinete.
- Espere por ~1 h. Verifique visualmente a atuação de gotícula.
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Resultados
A atuação de gotícula é gravada com um telefone inteligente. Os resultados representativos para a quemiluminescência e a imagem fluorescente são exibidos nas Figuras 3 e Figura 4. Para o experimento de chemiluminescência, a gota de 10 μL ferricyanida é acionada para se mover e misturar com gotícula pré-depositada de 2 μL no eletrodo alvo, como mostrado na Figura 3. O período de tempo entre o moviment...
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Discussão
O procedimento descrito aqui permite ao leitor montar e testar um sistema EWOD funcionando para atuação de gotículas e ganhar experiência prática com microfluidos. Nós intencionalmente evitamos componentes caros e amostras químicas. Atualmente, um kit pode ser construído por ~$130 com o componente mais caro sendo vidro de cor óptica para imagem fluorescente e microcontrolador, excluindo o gabinete acrílico personalizado(Tabela Suplementar 1). Por esse custo, uma capacidade de imagem fluorescente e um con...
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Divulgações
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecimentos
Y. T. Y. gostaria de reconhecer o apoio de financiamento do Ministério da Ciência e Tecnologia sob os números de subvenção MOST 107-2621-M-007-001-MY3 e Universidade Nacional Tsing Hua sob o número de subvenção 109T2702E1. Mark Kurban, do Grupo Edanz (https://en-author-services.edanzgroup.com/ac), editou um rascunho deste manuscrito.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Invólucro de acrílico | Fornecedor | 23cm x 20,5 cm x 6cm | |
| microcontroladora | Ardunion Uno | Arduino | UNO |
| ácido acético | Sigma Alrich | 695092-100ML | |
| MCIGICM | 400tie | 4 cm x 7 cm, 400 Pontos Placa de Ensaio Sem Solda, um pacote de 4 | |
| BSP89 H6327 Infineon MOSFET | Mouser | 726-BSP89H6327 | dreno de tensão de ruptura de fonte 240V, em resistência 4.2 ohm |
| ácido cítrico | sigma Alrich | 251275-100G | |
| Filtro de vidro colorido | Thorlabs | FGL 530 | filtro de vidro colorido para imagem fluorescente |
| DHT11 sensor de temperatura e umidade | adafruit | ||
| multímetro digital | Isômero de | 17B | |
| I | sigma Alrich | F7250-50MG | preço de 50 mg, imagem fluorescente |
| Glicerol | Sigma | Alrich G9012-500ML | |
| Fonte de alimentação de alta tensão para tubo Nixe | Vaorwne | NCH6100HV | Potência máxima de alta tensão dc 235V |
| LM2596 | de reforço do circuito | ||
| Luminol | Sigma Alrich | 123072-5G | 5 g por $110 |
| Pippet | Thermal Fisher | 1- 10 ul | |
| Placa de circuito impresso | Vendedor | 10 peças por $60 | |
| Embalagem plástica para alimentos | Kirkland | Stretch-tite | envoltório de alimentos envoltório de alimentos de plástico |
| Ferricinideo de potássio | Merck | 104982 | 1 kg |
| 1N Solução de hidróxido de potássio (1 mol/l) | Scharlau | 1 litro | |
| de fita de escritório transparente 3mm | 3M Scotch | semitransparente, usado como difusor para sal de iluminação | |
| Sal iodado | 6 onças por US $ 7 sal de supermercado | ||
| Óleo de silicone (5Cst) | Sigma Alrich | 317667-250ML | camada hidrofóbica superior e camada de enchimento entre o eletrodo e |
| sacarose | isolanteaçúcar de mesa de qualquer supermercado, 6 dólares por libra | ||
| LED azul de montagem superficial | oznium | 3528 | Oznium 20 Peças de LEDs de montagem em superfície PLCC-2, tamanho 3528 SMD SMT LED - Azul |
| Resistor de montagem superficial 180k Ohm Resistor | Balance World Inc | 3mm x 6 mm 1watt | |
| Resistor de montagem superficial 510Ohm | Balance World Inc | para LED, atomizador de água 3mmx6mm 1watt | |
| Grove | frequência de operação 100 kHz tensão de alimentação 5V max 2W O kit vem com transdutor ultrassônico | ||
| transistor de alta tensão | |||
Referências
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- 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).
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Reimpressões e permissões
