我们介绍一种教育套件，该套件允许用户执行多个实验，获得数字微流控技术的实践操作经验。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
本文介绍了一种基于数字微流控技术的教学套件。以鲁米诺化学发光实验为例，报道了一项具体实验方案。该套件还具备荧光成像功能，并采用基于超声波雾化器的密闭加湿腔体以防止液体蒸发。该套件可在短时间内完成组装，且仅需极少的电子学和焊接操作培训。该套件可使本科生/研究生以及科技爱好者以直观的方式获得微流控技术的实践操作经验，并接受培训以熟悉数字微流控技术。
引言
微流控技术是一个高度跨学科的领域，结合了物理学、化学、生物学和工程学，用于操控从飞升到微升级别的微量液体1。微流控技术也是一个非常广泛且活跃的研究领域；在Web of Science上的检索结果显示，相关出版物接近20,000篇，然而关于将微流控技术用作教育工具的文献和综述文章仍显不足2。目前有两篇富有洞察力但已过时的综述文章，分别由Legge和Fintschenko撰写3,4。Legge向教育工作者介绍了“芯片实验室”的概念3。Fintschenko则指出了微流控教学实验室在科学、技术、工程和数学（STEM）教育中的作用，并将相关教育理念简化为“教授微流控”和“使用微流控”4。Rackus、Ridel-Kruse和Pamme在2019年发表的一篇较新的综述中指出，微流控技术除了具有天然的跨学科特性外，还是一门实践性很强的学科2。与微流控实践相关的动手活动有助于学生进行探究式学习，并使其成为科学传播和科普推广的有力工具。事实上，微流控技术在正式与非正式的科学教育环境中均具有巨大潜力，也是向公众普及现代科学跨学科特征的理想“工具”。
低成本微通道装置、纸质微流控和数字微流控等示例是用于教育目的的理想工具。在这些平台中，数字微流控技术仍较为深奥，基于数字微流控的同行评审报道尚显不足2。本文提出将数字微流控作为教学工具，原因如下。首先，数字微流控与基于微通道的范式截然不同，因其基于液滴的操作，并将液滴用作离散的微反应器。其次，液滴在相对通用的电极阵列平台上进行操控，因此数字微流控可与微电子技术紧密结合。用户可利用现已广泛适用于DIY应用的丰富电子元件，实现与液滴的电子化接口。因此，我们认为数字微流控能够让学生亲身体验这些独特特性，并以开放的心态避免过度局限于基于微通道的低雷诺数微流控系统1。
简而言之，数字微流控领域主要基于电润湿现象，该现象最早由 Gabriel Lippmann 描述5,6. 最近的发展始于20世纪90年代初Berge的研究7他的主要贡献是提出引入一层薄绝缘体，将导电液体与金属电极分离，从而消除电解问题。这一思想被称为介电层上的电润湿（EWOD）。随后，数字微流控技术由几位先驱研究人员推广开来8,9现在，数字微流控技术已在临床诊断、化学和生物学等领域展现出广泛的应用。10,11,12 因此，在教育环境中已有大量可用的示例。特别是沿着低成本、自助式数字微流控技术的方向，Abdelgawad 和 Wheeler 此前已报道了数字微流控技术的低成本快速原型制作13,14Fobel 等人还报道了 DropBot 作为一种开源的数字微流控控制系统15Yafia 等人还报道了一种基于 3D 打印部件和更小手机的便携式数字微流控装置16Alistar 和 Gaudenz 还开发了由电池供电的 OpenDrop 平台，该平台基于场效应晶体管阵列和直流驱动技术17.
本文介绍一种基于市售印刷电路板（PCB）的数字微流控教育套件，用户可通过该套件自行组装并亲身体验数字微流控技术（图1）。目前，通过数字设计文件定制PCB的付费服务已广泛普及，因此我们认为，只要能够共享数字设计文件，该方案即可成为一种可行的低成本教育解决方案。在元件选择和系统设计方面进行了精心优化，以简化组装流程，并使用户界面更加直观。因此，本套件采用单板结构而非双板结构，避免了上层板的需求。所有元件和测试化学品均需易于获取。例如，本套件中使用超市出售的食品保鲜膜作为绝缘层。
为验证我们试剂盒的可行性，我们建议开展一项基于鲁米诺化学发光特性的特定化学实验，并提供相应实验方案。希望通过直观观察化学发光现象激发学生的学习兴趣与热情。鲁米诺是一种化学物质，当其与过氧化氢等氧化剂混合时会发出蓝光2O2 通常用于法医学中检测血液18在我们的实验室条件下，铁氰化钾作为催化剂。鲁米诺与氢氧根离子反应生成二价阴离子，该阴离子随后与过氧化氢释放的氧气反应，生成处于激发态电子的5-氨基邻苯二甲酸；电子从激发态回到基态时释放出光子，表现为蓝色光的闪烁。
我们还报告了一项使用智能手机的荧光成像实验，以展示将发光二极管（LED）集成作为激发光源的应用。最后，液滴蒸发是微流控领域中的一个问题，但很少被关注。（在开放基底上，1 μL 的水滴在 1 小时内即可完全损失3。）我们采用基于高频压电换能器的雾化器将水转化为细雾，从而创建一个加湿环境以防止液滴蒸发，并实现了长时间（约 1 小时）的液滴操控。
图 1：EWOD 实验装置示意图。（a）使用微控制器向 EWOD 电极提供控制序列，同时实现湿度控制。（b）PCB 布局示意图，标注了电极、用于荧光成像的 LED、电阻和场效应晶体管（FET），并显示了 1 cm 的比例尺。请点击此处查看该图的放大版本。
图2：装置套件的俯视图。 图中标注了微控制器板、高压电源板、数字微流控PCB、湿度传感器和雾化器。请点击此处查看该图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1）组装数字微流控套件
- 根据图1b中的电路图，将表面贴装电阻、晶体管和发光二极管焊接到PCB板上。
- 将高压电源板的输出端连接到已焊接元件的PCB板上（图2 和 补充图1）。
- 将电池连接至电压升压板，以将电压从6 V升至12 V（图2 和 补充图1）。
- 将高压电源板连接至电压升压板，以将电压从12 V升至约230 V（图2 和 补充图1）。
- 将湿度传感器连接至微控制器板。将超声波压电雾化器和雾化器驱动板连接至微控制器板（图2 和 补充图1）。
- 将整个组件放入尺寸为23 cm × 20.5 cm × 6 cm的亚克力外壳中。
- 运行包含代码的微控制器（补充代码），并使用数字万用表测量EWOD电极的电压，确保输出电压约为230 V。调节高压电源板上的可变电阻，使输出电压达到约230 V（补充图2）。
2）在电极阵列上制备绝缘层
- 佩戴洁净的丁腈手套。使用微量移液器在电极区域滴加约 10 μL 的 5 cSt 硅油，并用手指将硅油在电极区域均匀涂抹。注意，硅油作为电极与食品保鲜膜绝缘层之间的填充物，可避免产生任何气隙。
- 裁剪一块尺寸约为 2.5 cm × 4 cm 的食品保鲜膜，将其覆盖在电极表面。使用微量移液器在电极区域滴加约 10 μL 的 5 cSt 硅油，并用手指将硅油均匀涂抹。注意，硅油在绝缘层表面形成一层疏水层。
3) 基于鲁米诺的化学发光实验
- 在烧杯中，将 0.25 g 鲁米诺和 1.6 g 氢氧化钠溶于 25 mL 去离子水中，用玻璃搅拌棒搅拌，得到溶液。
- 取上一步所得溶液 20 mL，与 20 mL 3% 过氧化氢混合。
- 使用微量移液器将上一步制备的鲁米诺溶液 2–5 μL 滴加到目标电极上。
- 使用微量移液器将 10 μL 0.1% w/w 铁氰化钾滴加到电极上。注意，此液滴将用于电润湿驱动移动。
- 开启微控制器，将 10 μL 铁氰化钾液滴移动至与鲁米诺溶液合并。
4) 荧光成像实验
- 裁剪一块尺寸约为 1 cm × 1 cm 的半透明胶带。将该半透明胶带放置在激发光发光二极管与数字微流控电极之间。
- 用胶带将发射彩色玻璃滤光片固定在智能手机的摄像头镜头上。
- 将 2.5 mg 的异硫氰酸荧光素溶解于水性乙醇（3% w/w）溶液中，混合均匀。
- 用移液器吸取约 10 μL 上一步所得溶液，并将其滴加至其中一个电极上。
- 开启微控制器。
- 使用智能手机录制液滴驱动过程的视频。
5) 使用超声波雾化器进行液滴长期操控实验
- 将1 mL水置于超声波雾化器上。注意，程序代码采用阈值反馈算法，以维持90%以上的湿度水平。
- 使用微量移液器放置10 μL液滴。打开微控制器，并立即关闭 enclosure 的盖子。
- 等待约1小时。目视检查液滴驱动情况。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
使用智能手机记录液滴驱动过程。化学发光和荧光成像的代表性结果如图所示。 图3 以及 图4用于化学发光实验的液滴 10 μL 铁氰化物被驱动移动并与预先沉积的物质混合 2 μL 靶电极上的液滴，如图所示 图3连续两次运动之间的时间间隔设定为 4 秒，足够缓慢以便于观察。需要注意的是，鲁米诺溶液（含过氧化氢）与铁氰化钾混合后产生的蓝色闪光，即使在环境光下也能用肉眼观察到。对于展示的荧光成像 图4，实验需在避光条件下进行。半透明胶带作为散射片，可将激发光均匀地分布到液滴上。荧光发射光通过附着在智能手机相机上的低成本发射滤光片进行过滤。该成像方案比常规台式荧光显微镜中基于二向色镜的光路方案更为简单。在长时间（约1小时）实验中，可观察到成功的液滴驱动现象，如图所示 图 5a.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
本文所述方法可使读者组装并测试一个用于液滴操控的实用数字微流控（EWOD）系统，并获得微流控技术的实践经验。我们有意避免使用昂贵的组件和化学样品。目前，除定制的亚克力外壳外，构建一套该系统仅需约130美元，其中最昂贵的部件是用于荧光成像的光学彩色玻璃和微控制器（补充表1）。在此成本下，系统还具备荧光成像能力，并基于雾化器实现了主动湿度环境控制。（一台典型的荧光显微镜价格超过约1,500美元19，即便是低成本的数字荧光显微镜也需300美元。）如此低的成本使本套件非常适合大规模教学应用。作为对比，Dropbot目前售价约为5,000美元20，而OpenDrop平台售价约为1,000美元2。这些平台的比较总结见表1。
...访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
Y. T. Y. 感谢来自科技部（项目编号：MOST 107-2621-M-007-001-MY3）和国立清华大学（项目编号：109Q2702E1）的资金支持。Edanz集团（https://en-author-services.edanzgroup.com/ac）的Mark Kurban对本文初稿进行了编辑。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙烯酸 enclosure | 本地供应商 | 23 cm × 20.5 cm × 6 cm | |
| Ardunion Uno | Arduino | UNO | 微控制器板 |
| 乙酸 | Sigma-Aldrich | 695092-100ML | |
| 面包板 | MCIGICM | 400tie | 4 cm × 7 cm，400 点无焊面包板，4 片装 |
| BSP89 H6327 Infineon MOSFET | 穆瑟 | 726-BSP89H6327 | 漏源击穿电压 240 V，导通电阻 4.2 欧姆 |
| 柠檬酸 | sigma Alrich | 251275-100G | |
| 彩色玻璃滤光片 | Thorlabs | FGL 530 | 荧光成像用彩色玻璃滤光片 |
| DHT11 温度 &湿度传感器 | adafruit | ||
| 数字万用表 | 扁虫 | 17B | |
| 异硫氰酸荧光素异构体 I | sigma Alrich | F7250-50MG | 50 mg 价格，荧光成像 |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | G9012-500ML | |
| 用于Nixe管的高压电源 | Vaorwne | NCH6100HV | 高压电源最大直流电压 235V |
| LM2596 电压升压电路 | 将电压从5V升至12V | ||
| 鲁米诺 | Sigma-Aldrich | 123072-5G | 5 克，110 美元 |
| 皮珀特 | Thermal Fisher | 1-10 μl | |
| 印刷电路板 | 本地供应商 | 10 件 60 美元 | |
| 塑料食品保鲜膜 | 柯克兰 | Stretch-tite | 食品保鲜膜 塑料食品保鲜膜 |
| 铁氰化钾 | 默克 | 104982 | 1 kg |
| 1N 氢氧化钾溶液（1 mol/L） | Scharlau | 1 升 | |
| 3毫米透明办公胶带 | 3M Scotch | 半透明，用作照明的漫射器 | |
| 盐 | 高性价比加碘盐 | 超市购买的6盎司7美元的盐 | |
| 硅油（5Cst） | Sigma-Aldrich | 317667-250ML | 上层疏水相 &电极与绝缘体之间的填充层 |
| 蔗糖 | 蔗糖 从任何超市购买，每磅6美元 | ||
| 表面贴装蓝色LED | oznium | 3528 | Oznium 20 个 PLCC-2 贴片 LED，3528 尺寸 SMD SMT LED - 蓝色 |
| 表面贴装电阻 180k 欧姆 | Balance World Inc | 3 mm × 6 mm 1 瓦特 | |
| 表面贴装电阻 510 Ohm | Balance World Inc | LED偏置电阻，3mmx6mm 1瓦 | |
| 水雾化器 | 林地 | 工作频率 100 kHz 供电电压 5V，最大功率 2W 试剂盒配有超声波换能器 | |
| 高压晶体管 |
参考文献
- Convery, N., Gadegaard, N. 30 years of microfluidics. Micro and Nano Engineering. 2, 76-91 (2019).
- 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).
- Fintschenko, Y. Education: a modular approach to microfluidics in the teaching laboratory. Lab On A Chip. 11, 3394(2011).
- Mugele, F., Baret, J. -C. Electrowetting: from basics to applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 17, 705-774 (2005).
- Lippmann, G. Relations entre les phenomenes electriques et capillary. Ann. Chim. Phys. 6, 494(1875).
- Berge, B. Electrocapillarite et mouillge de films isolant par l'eau. C. R. Acad. Sci. II. 317, 157(1993).
- Pollack, M. G., Fair, R. B., Shenderov, A. D. Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidics applications. Applied Physics Letters. 77, 1725(2000).
- Lee, J., Kim, C. J. Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 171(2000).
- Choi, K., Ng, A. H. C., Fobel, R., Wheeler, A. R. Digital Microfluidics. Annual Review of Analalytical Chemistry. 5, 413-440 (2012).
- Jebrail, M. J., Wheeler, A. R. Let's get digital: digitizing chemical biology with microfluidics. Current Opinion in Chemical Biology. 14, 574-581 (2000).
- Pollack, M. G., Pamula, V. K., Srinivasan, V., Eckhardt, A. E. 2011. Applications of electrowetting-based digital microfluidics in clinical diagnostics. Expert Review of Molecular Diagnostics. 11, 393-407 (2011).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Rapid prototyping in copper substrates for digital microfluidics. Advanced Materials. 19 (1), 133-137 (2007).
- Abdelgawad, M., Wheeler, A. R. Low-cost, rapid-prototyping of digital microfluidics devices. Microfluidics and Nanofluidics. 4, 349-355 (2008).
- Fobel, R., Fobel, C., Wheeler, A. R. DropBot: an open-source digital microfluidic control system with precise control of electrostatic driving force and instantaneous drop velocity measurement. Applied Physics Letters. 102, 193513(2013).
- Yafia, M., Ahmadi, A., Hoorfar, M., Najjaran, H. Ultra-portable smartphone controlled integrated digital microfluidic system in a 3D-printed modular assembly. Micromachines. 6 (9), 1289-1305 (2015).
- Alistar, M., Gaudenz, U. OpenDrop: an integrated do-it-yourself platform for personal use of biochips. Bioengineering. 4 (2), 45(2017).
- Khan, P., et al. Luminol-based chemiluminescent signals: clinical and non-clinical application and future uses. Applied Biochemistry and Biotechnology. 173 (2), 333-355 (2014).
- Agresti, J. J., et al. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (9), 4004-4009 (2010).
- Microfluidics. , Available from: https://microfluidics.utoronto.ca/dropbot/ (2020).
- Busnel, J. M., et al. Evaluation of capillary isoelectric focusing in glycerol-water media with a view to hydrophobic protein applications. Electrophoresis. 26, 3369-3379 (2005).
- Chatterjee, D., Shepherd, H., Garrell, R. L. Electromechanical model for actuating liquids in a two plate droplet microfluidic device. Lab On A Chip. 9, 1219-1229 (2009).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
标签
