Summary
デジタルマイクロ流体に関する複数の実験を行い、実践的な経験を得ることができる教育キットを記述します。
Abstract
本論文では、デジタルマイクロ流体に基づく教育キットについて述べている。ルミノール系化学発光実験のプロトコルが具体的な例として報告される。また、蒸発を防ぐために超音波アトマイザーに基づいて、蛍光イメージング機能と閉じた加湿エンクロージャを備えています。キットは、短時間で、電子機器やはんだ付けの最小限のトレーニングで組み立てることができます。このキットは、学部生/大学院生と愛好家の両方が直感的な方法でマイクロ流体の実践的な経験を得ることができ、デジタルマイクロ流体に慣れるための訓練を受けます。
Introduction
マイクロ流体学は、フェムトリットルからマイクロリットルに至るまでの液体の少量の操作のための非常に学際的なフィールドコーミング物理学、化学、生物学、および工学である。マイクロ流体はまた非常に広く、活発な分野である;科学のウェブ検索は、ほぼ20,000の出版物を返しますが、教育ツールとしてマイクロ流体の使用に関する不十分な文献とレビュー論文があります2.レッジとフィンチェンコ3、4による時代遅れのレビュー記事は、2つの洞察力があるが、.Legge はチップ3上のラボのアイデアを教育者に紹介します。フィンチェンコは、科学技術工学数学(STEM)教育におけるマイクロ流体教育ラボの役割を指摘し、哲学を「マイクロ流体を教える」と「マイクロ流体を使用する」4に簡素化した。2019年のラッカス、Ridel-Kruse、Pammeによる最近のレビューは、本質的に学際的であることに加えて、マイクロ流体も非常に実践的な主題2であることを指摘しています。マイクロ流体工学の実践に関連する実践的な活動は、学生に問い合わせベースの学習を提供し、科学のコミュニケーションとアウトリーチのための魅力的なツールになります。マイクロ流体学は、確かに正式な設定と非公式の両方の設定で科学教育のための多くの可能性を提供し、また、現代科学の学際的な側面について一般の人々を熱狂させ、教育するための理想的な「ツール」です。
低コストのマイクロチャネルデバイス、紙マイクロ流体、デジタルマイクロ流体などの例は、教育目的のための理想的なツールです。これらのプラットフォームの中で、デジタルマイクロ流体は難解なままであり、デジタルマイクロ流体に基づく査読されたレポートは2を欠いている。ここでは、いくつかの理由から、教育ツールとしてデジタルマイクロ流体を使用することを提案します。第1に、デジタルマイクロ流体は、液滴の操作と液滴の個別マイクロ血管としての使用法に基づいているため、マイクロチャネルベースのパラダイムとは非常に異なります。第二に、液滴は比較的一般的な電極アレイプラットフォーム上で操作されるため、デジタルマイクロ流体はマイクロエレクトロニクスと密接に結合することができます。ユーザーは電子部品の拡張セットを活用することができ、今では日曜大工アプリケーションが液滴と電子的にインターフェースするための非常にアクセスしやすくなっています。したがって、我々は、デジタルマイクロ流体は、学生がこれらのユニークな側面を体験し、マイクロチャネルベースの低レイノルズ数マイクロ流体1に固執するために過度にオープンマインドではないことを主張しています。
簡単に言えば、デジタルマイクロ流体の分野は、主に、ガブリエル・リップマン5、6によって最初に記述された電気湿式現象に基づいています。最近の開発は、1990年代初頭にベルゲによって開始されました7.彼の主な貢献は、電気分解の問題を排除するために、金属電極から導電性液体を分離するために薄い絶縁体を導入するという考え方です。この考え方は、誘電体(EWOD)での電気湿潤と呼ばれる。その後、デジタルマイクロ流体は、いくつかの先駆的な研究者によって普及しました 8,9.臨床診断、化学、生物学などのアプリケーションの包括的なリストは、デジタルマイクロ流体10、11、12で証明されており、したがって、教育環境のために多くの例が利用可能です。特に、低コストのラインに沿って、日曜大工デジタルマイクロ流体、アブデルガワドとウィーラーは、以前にデジタルマイクロ流体13、14の低コスト、迅速な試作を報告しています。Fobelら, また、オープンソースのデジタルマイクロ流体制御システムとしてDropBotを報告しています15.Yafiaらも、3Dプリント部品と小型電話16に基づくポータブルデジタルマイクロ流体を報告した。アリスターとガウデンツはまた、フィールド効果トランジスタアレイとDCアクチュレーション17に基づいているバッテリー駆動OpenDropプラットフォームを開発しました。
ここでは、デジタルマイクロ流体を組み立て、デジタルマイクロ流体を体験できる、市販のプリント基板(PCB)をベースにしたデジタルマイクロ流体教育キットを紹介します(図1)。デジタル設計ファイルからPCBを作成するためのサービス料は広く利用可能であり、したがって、デジタル設計ファイルを共有できる教育のための実行可能な低コストのソリューションであると考えています。組み立てプロセスを簡素化し、ユーザーの直感的なインターフェイスを作るために、コンポーネントとシステム設計の細心の注意を払って選択します。したがって、トッププレートの必要性を避けるために、2プレート構成の代わりに1プレート構成が使用されます。コンポーネントと試験化学物質の両方を簡単に入手できる必要があります。例えば、スーパーからのフードラップは、私たちのキットの絶縁体として使用されています。
当社のキットの実現可能性を証明するために、ルミノールの化学発光に基づく特定の化学実験を提案し、プロトコルを提供します。希望は、化学発光の視覚的観察が学生を熱狂させ、興奮させることができるということです。ルミノールは、H2O2などの酸化剤と混合すると青色の輝きを示す化学物質であり、通常、血液18を検出するために法医学で使用される。当研究室では、フェリシアン化カリウムが触媒として機能します。ルミノールは水酸化物イオンと反応し、ダイアニオンを形成する。ジアニオンは、その後、過酸化水素からの酸素と反応して、励起状態の電子と5アミノフタル酸を形成し、励起状態から地盤状態への電子の緩和は、青色光のバーストとして見える光子をもたらす。
また、光発光ダイオード(LED)を励起光源として統合した蛍光イメージング実験をスマートフォンで報告しています。最後に、液滴蒸発はマイクロ流体では問題であるが、めったに対処されていない。(1 μLの水滴は開いた基板から1時間以内に失われます3.高周波ピエゾトランスデューサをベースにしたアトマイザーを使用して、水を微細なミストに変換します。これは、液滴の蒸発を防ぐために加湿環境を作成し、長期的な(〜1時間)液滴作動を実証する。
図1: EWODセットアップの回路図(a)マイクロコントローラを用いて、EWOD電極に制御シーケンスを提供する。また、湿度は制御されます。(b) PCBレイアウトの概略図電極、蛍光イメージング用LED、抵抗、および電界効果トランジスタ(FET)は標識されています。1cmのスケールバーも表示されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:キットのトップビュー マイクロコントローラボード、高電圧供給ボード、EWOD PCB、湿度センサー、およびアトマイザーがラベル付けされています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Protocol
1) デジタルマイクロ流体キットの組み立て
- 図1bの回路図に従って、表面実装抵抗、トランジスタ、および発光ダイオードをPCB基板にはんだ付けする。
- 高圧電源ボードの出力を、はんだ付きコンポーネントを備えたPCBボードに接続します(図2および補足図1)。
- バッテリーを電圧ブースターボードに接続して、電圧を6 Vから12Vに引き上げます(図2および補助図1)。
- 電圧ブースターボードに高圧電源ボードを接続して電圧を12 Vから~230Vに引き上げます(図2および補助図1)。
- マイクロコントローラボードに湿度センサーを接続します。超音波ピエゾアトマイザーとアトマイザードライバボードをマイクロコントローラボードに接続します(図2および補助図1)。
- 寸法23 cm x 20.5 cm x 6 cmのアクリルエンクロージャにアセンブリ全体を配置します。
- マイクロコントローラの電源をオンにし、デジタルマルチメーターを使用してEWOD電極の電圧を測定し、出力電圧が~230Vであることを確認します。
2) 電極アレイ上の絶縁体の調製
- 清潔なニトリル手袋を着用してください。マイクロピペットを使用して、5 cStシリコーンオイルの約10μLを電極領域に塗布し、指でシリコンオイルを電極領域に均等に広げます。なお、シリコンオイルは電極とフードラップ絶縁体の間の充填物として機能し、エアギャップを避けるためである。
- 約2.5cm x 4cmのサイズのフードラップを切り、電極の上に置きます。マイクロピペットを使用して、5 cStシリコーンオイルの約10μLを電極領域に塗布し、指でシリコーンオイルを均等に広げます。なお、シリコーン油は、絶縁体の上に疎水性層として機能する。
3) ルミノールを用いた化学発光実験
- 0.25gのルミノールと1.6gのNaOHを25mLの脱イオン水にガラススターラーと混ぜ合わせ、溶液を得る。
- 前工程から20mLの溶液を20mLの過酸化水素3%と混合します。
- マイクロピペットを使用して、前のステップのルミノール溶液をターゲット電極に2~5μL配置します。
- マイクロピペットを使用して、10 μLの 0.1%w w/w のフェリシアン化カリウムを電極に配置します。これは、エレクトロウェットのために移動する液滴であることに注意してください。
- マイクロコントローラをオンにして、フェリシアン化カリウムの10 μL液滴をルミノールと合体させます。
4) 蛍光イメージング実験
- 1cm×1cmの寸法で半透明テープを切ります。励起発光ダイオードとEWOD電極の間に半透明テープを入れる。
- スマートフォンのカメラに発光カラーガラスフィルターをテープで貼り付けます。
- 2.5mgのフルオレセインイソチオシアネートをエタノール水溶液(3%w/w)溶液に混ぜます。
- 電極の1つで前のステップから溶液のピペット〜10 μL。
- マイクロコントローラの電源を入れます。
- スマートフォンを使用して、液滴作動のビデオを録画します。
5)超音波アトマイザーによる長期液滴作動実験
- 超音波アトマイザーに1mLの水を置きます。このコードは、90% 以上の湿度レベルを維持するために、しきい値フィードバック アルゴリズムを使用するように記述されていることに注意してください。
- マイクロピペットで10μLの液滴を入れる。マイクロコントローラの電源を入れ、すぐにエンクロージャの蓋を閉じます。
- ~1 時間待ちます。液滴作動を視覚的に確認します。
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Representative Results
液滴作動はスマートフォンで記録されます。化学発光および蛍光イメージングの代表的な結果を 図3 および 図4に示す。化学発光実験の場合、 図3に示すように、10μLのフェリシアニドの液滴が作動し、あらかじめ堆積した2μL液滴をターゲット電極上に混合して移動させた。連続した移動の間の期間は4sに設定され、観察が容易になるほど遅い。なお、ルミノール溶液(過酸化水素)とフェリシアン化カリウムを混合した結果生じる青色光のバーストは、周囲光下でも肉眼で見ることができる。 図4に示す蛍光イメージングの場合、実験は暗闇の中で行う必要があります。半透明テープは、励起光を液滴に均等に分配するディフューザーとして機能します。蛍光から放出された光は、スマートフォンのカメラに取り付けられた低コストの発光フィルタでフィルタリングされます。このイメージングスキームは、典型的なベンチトップ蛍光顕微鏡で通常の二色性ミラーベースのスキームよりも簡単です。長期(〜1時間)実験の場合、 図5aに示すように、成功した液滴作動が観察できる。 図5b は、超音波アトマイザーの作用下における代表的な湿度データを示す。また、アトマイザーの有無にかかわらず液滴径を測定します。アトマイザーを使用しない場合、液滴径は4.0mmから2.2mmに縮小し、体積は室温で10μLから6μLに、周囲相対湿度は約57%に変化します。アトマイザーでは、液滴径が4mmから3.1mmに縮小し、体積は室温で10μLから8μLに変化し、周囲相対湿度は90%を変更します。
図3:液滴運動と発光のスナップショット t= 12 sでは、ルミノールとフェリシアン化カリウムを混合すると、青色光の可視バーストが生じる。1cmのスケールバーも表示されます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:蛍光イメージング機能との統合. (a) セットアップの概略図。LEDは励起のための光源として機能する。半透明のクリアオフィステープは、ライトディフューザーとして機能します。放出フィルターはスマートフォンのカメラに直接接続されます。(b)フルオレセインイソチオシアネートを含有する液滴の蛍光画像化 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:超音波アトマイザーによる湿度制御下の液滴作動率(a)1時間後の液滴運動のスナップショット。1cmのスケールバーも表示されます。(b)超音波アトマイザーの作用下での相対湿度対時間。矢印は、しきい値アルゴリズムによりアトマイザーがオフであることを示します。相対湿度のしきい値は 90% に設定されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1:配線回路図.マイクロコントローラと高電圧電源ボードは、バッテリで駆動されます。すべての操作はマイクロコントローラーの板によって調整される。アトマイザーは、ドライバボードによって活性化されます。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補助図2:高電圧スイッチング回路EWOD電極の切り替えには、抵抗を備えた高電圧金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を使用しています。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表1:キットの部品のコスト見積もり トランジスタ、抵抗、発光ダイオードなどの部品の単価は、10~100個の部品のパックのバルク価格から見積もられます。このコストはカスタムアクリル筐体を除外します。 こちらの表をダウンロードしてください。
補足コード:液滴の動きと超音波アトマイザーのための作動を可能にするカスタムスクリプトは、液滴環境を加湿します。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
ここで説明する手順は、読者が液滴作動のための働くEWODシステムを組み立て、テストし、マイクロ流体で実践的な経験を得ることを可能にする。高価な部品や化学試料を意図的に避けます。現在、1つのキットは、蛍光イメージング用の光学カラーガラスとカスタムアクリルエンクロージャを除くマイクロコントローラである最も高価なコンポーネントで〜$130のために構築することができます(補足表1)。このようなコストのために、アトマイザーに基づく蛍光イメージング能力および活性湿度環境制御も含まれる。(典型的な蛍光顕微鏡は〜$1,50019以上の費用がかかり、低コストのデジタル蛍光顕微鏡でさえ300ドルです。これらの低コストは、大規模な教育環境のために実用的な私たちのキットを作ります。比較のために、Dropbotは現在〜5,00020、OpenDrop プラットフォームのコストは〜$ 1,0002です。これらのプラットフォームの比較の概要を 表 1に示します。
| ドロップボット、オープンドロップ、エデュケーションキットの比較 | |||
| ドロップボット | オープンドロップ | 教育キット | |
| 電極基板 | ガラス基板 | PCB | PCB |
| コーティング技術 | 蒸着 | 薄膜および油 | フードラップとオイル |
| 作動信号 | ac (10kHz、典型的な) | 直流 | 直流 |
| ドライブエレクトロニクス | HVアンプおよびリレーアレイ | フィールドエフェクトトランジスタ | フィールドエフェクトトランジスタ |
| 湿度環境 | 何一つ | 何一つ | はい。アトマイザー付き |
| イメージング機能 | 外部マイクロスケ | 外部マイクロスケ | はい。スマートフォンを使用する場合 |
| 費用 | $5,000 | $1,000 | $100 |
表1:Dropbot、OpenDrop、および当社の教育キットの比較
教育キットの使用の可能性を評価するために、私たちは様々な背景の13の学部生を募集しました。専攻は物理学、生物学、化学工学、医学、材料科学、機械工学、電気工学です。私たちは、学生が電気工学から過度に来る状況を避け、電気工学専攻の学生を1人だけ手配することを意図的に試みています。我々は、2時間以内に我々のキット上のPCBと最後のテスト液滴作動に部品をはんだするように指示しました。電気工学の学生以外は、はんだ付けに関する以前の経験を持っていません。最終的には、統計を収集します。成功率は 62% です。表面実装コンポーネントはんだ付けすることが、キットの組み立て成功のボトルネックプロセスであることがわかりました。一般的なガイドラインは以下の通りである。フィンチェンコは、ツールや実験は、日曜大工の境界とブラックボックス境界の間のスペクトルのどこかに落ちると指摘しました。学生の側で工学の経験が増え、例えば、電気工学の背景から、研究室のセッションの多くは、日曜大工の味を取ることができます。しかし、化学、生物学、生化学などのエレクトロニクススキルの面で経験の浅い学生は、インストラクターによって事前に組み立てられたキットでスペクトルのブラックボックス端に利益を得ることができます。
参考として、使用できる液滴のパラメータ範囲を線引することも試みる。サイズについては、最大および最小の液体量をそれぞれ16 μLと8 μLにテストし、それぞれ〜10 μLの公称液体量を採用しました。当社は、ポリマーフードラップ絶縁体の腐食を避けるために、水溶液に液体を制限し、有機溶剤を避けています。また、イオン濃度、PH値、密度、粘度などのパラメータをカバーするために、テーブルシュガーや塩などの一般的に入手可能な液体システムを選びました。結果は 表 2に要約されています。これらの試験の中で、表面張力を相対的に一定に保ちながら液滴の最大粘度を試験する手段としてグリセロール水混合物を選んだ。グリセロールの最大重量パーセントとそれに対応する粘度は、〜40%と3.5cp21と判断します。最大作動イオン濃度は1 Mまでは塩化ナトリウムで試験される。PH値は酢酸、クエン酸およびKOH溶液で試験される。
| 液体システム | キー パラメータ | 作業範囲 |
| グリセロール水混合物 | 粘度 | グリセロール 40% 重量または 3.5 cps |
| 水中のスクロース | 密度 | 最大60%の重量 |
| 水で希釈したクエン酸 | PH値 | PH=3と低い |
| 酢酸 | PH値 | PH=4と同じくらい低い |
| 島 | PH値 | PH= 11と同じ高さ |
| 塩化ナトリウム | イオンの香り | 10mM~1M |
表2:当社のキットでテストした液体システム、パラメータ、および作業範囲の範囲。
ここでは、液滴作動に関わる物理学について簡単に説明します。電気機械誘導を用いて、周波数および液滴位置の関数としての駆動力は、このエネルギー項の分化からシステムに記憶されるエネルギー容量に基づいて導出することができる。重要な周波数 fc は、各デバイスジオメトリ/液体の組み合わせ21について計算できます。この周波数を下回ると、推定力は熱力学的手法で予測されるまで減少する。この体制では、液滴に作用する力は、3相接触線の近くに蓄積された電荷が作動電極に向かって静電的に引っ張られることから生じる。臨界周波数以上の液体-二電気泳動力が、活性化された電極に向かって液滴を引っ張る。実験ではDCアクチュエーションを使用しているため、この臨界周波数を下回る動作であるため、3相接触線は静電で作動電極に向かって引き出されます。
結論として、全体的な実験は読者にデジタルマイクロ流体への実践的な露出を与えるように設計されている。具体的には、このキットは、学生が光学、エレクトロニクス、および流体を学ぶことを可能にするので、この側面は、シニアレベルでの電気工学と機械工学の任意のラボコースに適しています。また、特定の化学発光実験は、上級レベルで化学または化学工学実験コースに採用することができる。ここで説明する実験は、実際のシナリオの簡略化されたバージョンですが、他の実験に簡単に拡張することができます。たとえば、紙のテストキットを結合し、ドロップレットを用紙に移動させて吸着することができます。また、マイクロプロセッサと他のインタラクティブI/Oデバイスを簡単に組み合わせることで、より高度なデジタル制御とプログラマビリティを実現できます。私たちは、ここでのプロトコルはまた、学び、フィールドの彼らの知識をさらに進めるためにエレクトロニクスを適用する非専門家愛好家に利益をもたらすと信じています。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
Y. T. Y. 助成金番号MOST 107-2621-M-007-001-MY3と国立青華大学助成金番号109Q2702E1の下で科学技術省からの資金援助を認めたいと思います。エダンツ・グループ(https://en-author-services.edanzgroup.com/ac)のマーク・カバンがこの原稿の草稿を編集しました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylic enclosure | LOCAL vendor | 23cm x 20.5 cm x 6cm | |
| Ardunion Uno | Arduino | UNO | microcontroller board |
| acetic acid | Sigma Alrich | 695092-100ML | |
| Breadboard | MCIGICM | 400tie | 4 cm x 7 cm, 400 Points Solderless Breadboard, a pack of 4 |
| BSP89 H6327 Infineon MOSFET | Mouser | 726-BSP89H6327 | drain soure breakdown voltage 240V,on resistance 4.2 ohm |
| citrid acid | sigma Alrich | 251275-100G | |
| Color glass filter | Thorlabs | FGL 530 | color glass filter for fluorescent imaging |
| DHT11 temperature & humidity sensor | adafruit | ||
| Digital multimeter | Fluke | 17B | |
| Fluorescein isothiocyanate isomer I | sigma Alrich | F7250-50MG | 50 mg price, fluorescent imaging |
| Glycerol | Sigma Alrich | G9012-500ML | |
| High voltage power supply for Nixe tube | Vaorwne | NCH6100HV | High voltage power max dc 235V |
| LM2596 voltage booster circuit | boost voltage from 5V to 12 V | ||
| Luminol | Sigma Alrich | 123072-5G | 5 g for $110 |
| Pippet | Thermal Fisher | 1- 10 ul | |
| Printed circuit board | Local vender | 10 piece for $60 | |
| Plastic food wrap | Kirkland | Stretch-tite | food wrap Plastic food wrap |
| Potassium ferricynide | Merck | 104982 | 1 kg |
| 1N Potassium hydroxide solution (1 mol/l) | Scharlau | 1 Liter | |
| Clear Office tape 3mm | 3M Scotch | semi-transparent, used as diffuser for illumination | |
| salt | Great Value Iodized Salt | 6 oz for $7 salt from supermarket | |
| Silicone oil (5Cst) | Sigma Alrich | 317667-250ML | top hydrophobic layer & filling layer between electrode and insulator |
| sucrose | table sugar from any supermarket, 6 dollar per pound | ||
| Surface mount blue LED | oznium | 3528 | Oznium 20 Pieces of PLCC-2 Surface Mount LEDs, 3528 Size SMD SMT LED - Blue |
| Surface mount resistor 180k Ohm | Balance World Inc | 3mm x 6 mm 1watt | |
| Surface mount resistor 510Ohm | Balance World Inc | bias resistor for LED, 3mmx6mm 1watt | |
| Water atomizer | Grove | operating frequency 100 kHz supply votage 5V max 2W The kit comes with ultrasonic transducer | |
| high voltage transistor | |||
References
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