基于数字微流体的多功能套件，用于科学教育
Summary
我们描述了一个教育工具包，允许用户执行多个实验，并获得数字微流体的实践经验。
Abstract
本文描述了一个基于数字微流体的教育工具包。据报道，基于发光的化学发光实验协议是一个具体的例子。它还具有荧光成像能力和基于超声波雾化器的封闭式加湿外壳，以防止蒸发。该套件可在短时间内组装，电子和焊接培训最少。该套件允许本科生/研究生和爱好者以直观的方式获得微流体的实践经验，并接受培训，以熟悉数字微流体。
Introduction
微流体是一个高度跨学科的领域，对物理、化学、生物学和工程学进行梳理，以操纵从女性到微升1等少量液体。微流体也是一个非常广泛和活跃的领域：科学网搜索返回了近20，000份出版物，但没有足够的文献和评论论文使用微流体作为教育工具2。有两篇有见地的，虽然过时的评论文章由莱格和芬琴科3，4。莱格向教育工作者介绍了芯片3上的实验室的想法。芬琴科指出了微流体教学实验室在科技工程数学（STEM）教育中的作用，并将哲学简化为”教授微流体”和”使用微流体”。Rackus、Ridel-Kruse和帕姆在2019年的一项最新评论指出，除了在性质上是跨学科的外，微流体也是一个非常实际的课题2。与微流体实践相关的实践活动使学生能够进行基于查询的学习，并使其成为科学交流和外联的引人入胜的工具。微流体确实在正式和非正式环境中为科学教育提供了很大的潜力，也是吸引和教育公众了解现代科学跨学科方面的理想”工具”。
低成本微通道设备、纸张微流体和数字微流体等是用于教育目的的理想工具。在这些平台中，数字微流体仍然深奥，缺乏基于数字微流体的同行评审报告。在这里，我们建议使用数字微流体作为教育工具有几个原因。首先，数字微流体与基于微通道的模式非常不同，因为它基于对液滴的操纵和水滴作为离散微维斯的使用。其次，水滴在相对通用的电极阵列平台上纵，因此数字微流体可以与微电子紧密结合。用户可以利用一套扩展的电子元件，现在非常方便自己动手的应用程序与液滴进行电子接口。因此，我们认为，数字微流体可以让学生体验这些独特的方面，并持开放的心态，不要过分坚持基于微渠道的低雷诺数字微流体1。
简言之，数字微流体领域主要基于电击现象，这是加布里埃尔·利普曼5，6首次描述的。最近的发展是由贝尔格在20世纪90年代初开始的。他的主要贡献是引入一个薄绝缘体，将导电液体与金属电极分离，以消除电解问题。这个想法被称为介电（EWOD）上的电湿。随后，数字微流体被几个先驱研究人员8，9推广。现在，在数字微流体10、11、12上已经证明了一系列应用，因此，有很多例子可用于教育环境。特别是，沿着低成本，自己做的数字微流体，阿卜杜勒加瓦德和惠勒以前曾报告低成本，快速原型的数字微流体13，14。福贝尔等人还报告DropBot为开源数字微流体控制系统15。Yafia等人还报告了基于3D打印部件和小型手机16的便携式数字微流体。阿里斯塔和高登兹还开发了电池供电的 OpenDrop 平台，该平台基于场效应晶体管阵列和直流执行17。
在这里，我们展示了一个基于商业来源的印刷电路板 （PCB） 的数字微流体教育套件，使用户能够组装并获得数字微流体的实践体验 （图 1）。从数字设计文件创建多氯联苯的收费服务是广泛的，因此，我们认为，只要数字设计文件可以共享，这是一个可行的低成本教育解决方案。精心选择组件和系统设计，以简化装配过程，并与用户的直观界面。因此，使用单板配置而不是双板配置，以避免需要顶板。组件和测试化学品都需要易于获得。例如，超市的食品包装用作我们工具包中的绝缘体。
为了证明我们的试剂盒的可行性，我们建议基于发光的化学发光进行特定的化学实验，并提供该协议。希望对化疗的视觉观察能激发学生的活力和兴奋。发光醇是一种在与H2O 2等氧化剂混合时表现出蓝色光泽的化学物质，通常用于法医检测血液18。在我们的实验室环境中，铁氰化钾是催化剂。发光醇与氢氧化物离子有反应，形成电化。随后，电离物与过氧化氢中的氧气发生反应，形成5-薄荷酸，电子处于兴奋状态，电子从兴奋状态放松到地面状态，导致光子在蓝光爆发时可见。
我们还报告了使用智能手机的荧光成像实验，以演示发光二极管 （LED） 作为激发光源的集成。最后，液滴蒸发是微流体中的一个问题，但很少得到解决。（从打开的基板 3 在 1 小时内丢失1μL 的水滴。我们使用基于高频压子传感器的雾化器将水转化为细雾。这创造了一个潮湿的环境，以防止液滴蒸发，并演示长期（~1小时）水滴激活。
图1：EWOD 设置的原理图（ a） 用于为 EWOD 电极提供控制序列的微控制器。此外，湿度也得到控制。（b） 多氯联苯布局的原理图。标记了用于荧光成像的电极、LED、电阻器和场效应晶体管 （FET）。还显示了 1 厘米的尺度栏。请单击此处查看此图的更大版本。
图2：工具包的顶部视图。 微控制器板、高压供应板、EWOD 多氯联苯、湿度传感器和雾化器均贴有标签。请单击此处查看此图的更大版本。
Protocol
Representative Results
Discussion
此处描述的程序允许读卡器组装和测试工作 EWOD 系统以进行液滴激活，并获得微流体的动手经验。我们故意避免昂贵的组件和化学样品。目前，一个套件可以建造约130美元，最昂贵的组件是光学彩色玻璃荧光成像和微控制器，不包括自定义丙烯酸外壳（补充表1）。对于这样的成本，还包括荧光成像能力和基于雾化器的主动湿度环境控制。（一个典型的荧光显微镜的成本超过1，500~19<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. 谨根据赠款编号 MOST 107-2621-M-007-001-MY3 和国家清华大学赠款编号 109Q2702E1，感谢科技部的资助支持。来自伊丹兹集团（https://en-author-services.edanzgroup.com/ac）的马克·库尔班编辑了这份手稿的草稿。
Materials
| 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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