$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Микрофлюиды является весьма междисциплинарной области расчесывания физики, химии, биологии и инженерии для манипуляции небольшой объем жидкостей, начиная от фемтолитров до микролитров1. Микрофлюиды также является очень широким и активным полем; Поиск Web of Science возвращает почти 20 000 публикаций, и все же не хватает литературы и обзорных работ по использованию микрофлюиды в качестве учебногопособия 2. Есть две проницательные, хотя и устаревшие обзорные статьи Легге и Финченко3,4. Legge знакомит педагогов с идеей лаборатории на чипе3. Финченко указал на роль лаборатории микрофлюиды в обучении научно-технологической инженерной математике (STEM) и упростил философию в "учить микрофлюидуиду" и "использовать микрофлюидуиду"4. Более поздний обзор Rackus, Ridel-Kruse и Pamme в 2019 году указывает на то, что в дополнение к междисциплинарному характеру, микрофлюиды также очень практический вопрос2. Практическая деятельность, связанная с практикой микрофлюиды, предоставляет учащимся обучение на основе исследований и делает его привлекательным инструментом для научной коммуникации и информационно-пропагандистской работы. Микрофлюиды действительно предлагает большой потенциал для научного образования в формальной и неформальной обстановке, а также является идеальным "инструментом", чтобы воодушевить и просвещать общественность о междисциплинарном аспекте современных наук.
Такие примеры, как недорогие микроканальные устройства, бумажная микрофлюиду и цифровая микрофлюиды, являются идеальными инструментами для образовательных целей. Среди этих платформ, цифровые микрофлюиды остается эзотерической и рецензируемых докладов, основанных на цифровой микрофлюидыне хватает 2. Здесь мы предлагаем использовать цифровую микрофлюиду в качестве образовательного инструмента по нескольким причинам. Во-первых, цифровая микрофлюиду очень отличается от микроканальной парадигмы, поскольку она основана на манипуляции каплями и использовании капель в качестве дискретных микровесов. Во-вторых, капельками манипулируют на относительно общих электродных платформах, поэтому цифровая микрофлюида может быть тесно соединена с микроэлектроникой. Пользователи могут использовать расширенный набор электронных компонентов, теперь очень доступны для сделай сам приложений в электронном интерфейсе с каплями. Таким образом, мы утверждаем, что цифровые микрофлюиды могут позволить студентам испытать эти уникальные аспекты и быть открытыми не слишком придерживаться микроканальной основе низкой Рейнольд номер микрофлюиды1.
Короче говоря, область цифровой микрофлюиды в значительной степени основана на явлениях электроодкивания, которые были впервые описаны ГабриэльЛиппманн 5,6. Последние события были инициированы Берже в начале 1990-хгодов 7. Его ключевым вкладом является идея введения тонкого изолятора для отделять проводящие жидкости от металлических электродов, чтобы устранить проблему электролиза. Эта идея была термином, как электроотвод на диэлектрических (EWOD). Впоследствии цифровая микрофлюиды была популяризирована несколькими исследователями-первопроходцами8,9. Теперь полный список приложений, например, в клинической диагностике, химии и биологии, былдоказан на цифровой микрофлюиды 10,11,12 и, следовательно, множество примеров доступны для образовательных учреждений. В частности, по линии низкой стоимости, сделай сам цифровые микрофлюиды, Абдельгавад и Уилер ранее сообщали о недорогих, быстрых прототипах цифровых микрофлюидов13,14. Fobel и др., также сообщил DropBot как с открытым исходным кодом цифровой микрофлюидной системы управления15. Yafia и др., также сообщили портативные цифровые микрофлюиды на основе 3D печатных частей и меньше телефон16. Alistar и Gaudenz также разработали платформу OpenDrop на батарейках, которая основана на транзисторном массиве полевого эффекта и активацииDC 17.
Здесь мы представляем цифровой микрофлюиды образовательный комплект на основе коммерчески источников печатной платы (PCB), что позволяет пользователю собирать и получать практический опыт работы с цифровой микрофлюиды (Рисунок 1). Плата за услуги по созданию ПКБ из цифровых файлов дизайна широко доступна, и поэтому мы считаем, что это жизнеспособное недорогое решение для образования при условии, что цифровые файлы дизайна могут быть общими. Тщательный выбор компонентов и системного дизайна сделан для упрощения процесса сборки и создания интерфейса с интуитивно понятным пользователем. Таким образом, конфигурация одной пластины используется вместо двух пластин конфигурации, чтобы избежать необходимости в верхней пластине. Как компоненты, так и испытательные химические вещества должны быть легко доступны. Например, пищевая пленка из супермаркета используется в качестве изолятора в нашем комплекте.
Чтобы доказать осуществимость нашего комплекта, мы предлагаем конкретный химический эксперимент, основанный на химилюминесценции люминола и предоставляем протокол. Есть надежда, что визуальное наблюдение за химилюминесценцией может воодушевить и возбудить студентов. Luminol является химическим веществом, которое проявляет синее свечение при смешивании с окисливляющеевещество, такое какH 2 O2 и, как правило, используется в судебно-медицинской экспертизы дляобнаружения крови 18. В нашей лабораторной обстановке катализатором выступает феррикианин калия. Люминол реагирует с ионом гидроксида и образует дианион. Впоследствии дианион реагирует с кислородом из перекиси водорода, чтобы сформировать 5-аминофталиновой кислоты с электронами в возбужденном состоянии, и расслабление электронов от возбужденного состояния до состояния земли приводит к фотонам, видимым как взрыв синего света.
Мы также сообщаем об эксперименте с флуоресцентной визуализацией со смартфоном, чтобы продемонстрировать интеграцию светоизлучающего диода (LED) в качестве источника возбудительного света. Наконец, испарение капель является проблемой микрофлюиды, но редко решается. (1 йл капли воды теряется в пределах 1 ч от открытого субстрата3.) Мы используем распылитель на основе высокочастотного преобразователя пьезо для преобразования воды в мелкий туман. Это создает увлажняемую среду для предотвращения испарения капель и демонстрирует долгосрочную активацию капель (1 ч).
Рисунок 1: Схема EWOD создана. (a) Микроконтроллер используется для обеспечения последовательности управления электродом EWOD. Кроме того, влажность контролируется. b)Схема макета ПХД. Помечены электроды, светодиоды для флуоресцентных изображений, резистор и транзисторы полевого эффекта (FET). Также показана шкала бар 1 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Верхний вид комплекта. Помечены доска микроконтроллера, высоковольтная доска питания, EWOD PCB, датчик влажности и распылитель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.