Summary
Descrevemos um kit educacional que permite aos usuários executar vários experimentos e ganhar experiência prática em microfluidos digitais.
Abstract
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.
Introduction
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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Protocol
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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Representative Results
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 movimento sucessivo é definido como 4 s, lento o suficiente para fácil observação. Note que a explosão de luz azul resultante da mistura de solução luminol (com peróxido de hidrogênio) com ferricyanida de potássio pode ser vista a olho nu mesmo sob luz ambiente. Para imagens fluorescentes exibidas na Figura 4,o experimento precisa ser realizado no escuro. A fita semi-transparente serve como difusor para distribuir uniformemente a luz de excitação na gota. A luz emitida da fluorescência é filtrada com um filtro de emissão de baixo custo conectado na câmera do telefone inteligente. Este esquema de imagem é mais simples do que o esquema usual baseado em espelhodicróico em um microscópio típico de fluorescência de bancada. Para um experimento de longo prazo (~1 h), a atuação de gotícula bem sucedida pode ser observada como mostrado na Figura 5a. A Figura 5b mostra dados representativos de umidade sob a ação de um atomizador ultrassônico. Também medimos o diâmetro da gotícula com e sem atomizador. Sem atomizador, o diâmetro da gotícula diminui de 4,0 mm para 2,2 mm e o volume muda de 10 μL para 6 μL à temperatura ambiente e umidade relativa ambiente de ~57%. Com atomizador, o diâmetro da gotícula diminui de 4 mm para 3,1 mm e o volume muda de 10 μL para 8 μL à temperatura ambiente e umidade relativa ambiente >90%.
Figura 3: Instantâneo do movimento da gotícula e luminescência química. Em t = 12 s, a mistura de luminol com ferricyanida de potássio resulta em uma explosão visível de luz azul. A barra de escala de 1 cm também é mostrada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Integração com capacidade de imagem fluorescente. (a) Esquema da configuração. Um LED serve como fonte de luz para excitação. Uma fita de escritório transparente semi-transparente serve como um difusor leve. O filtro de emissão está diretamente conectado à câmera do telefone inteligente. (b) Imagem fluorescente da gotícula contendo isothiocianato de fluoresceína. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Atuação de gotícula sob controle de umidade com atomizador ultrassônico. (a) Instantâneo do movimento de gotícula após 1h. A barra de escala de 1 cm também é mostrada. bUmidade relativa versus tempo sob a ação do atomizador ultrassônico. Uma seta indica que o atomizador está desligado devido ao algoritmo limiar. O limite para umidade relativa do ar está definido para 90%. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura suplementar 1: Esquemas de fiação. Microcontrolador e placa de alimentação de alta tensão são alimentados por uma bateria. Toda a operação é orquestrada com a placa micro controladora. O atomizador é ativado pela placa do motorista. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 2: Circuito de comutação de alta tensão. Um transistor de efeito de campo de óxido de metal de alta tensão (MOSFET) com um resistor é usado para trocar eletrodo EWOD. Clique aqui para baixar este arquivo.
Tabela suplementar 1: Estimativa de custo dos componentes do nosso kit. O custo unitário de componentes como transistores, resistores, diodo emissor de luz é estimado a partir do preço a granel de um pacote de 10 a 100 componentes. O custo exclui o gabinete acrílico personalizado. Clique aqui para baixar esta tabela.
Código suplementar: Script personalizado para permitir a atuação para o movimento de gotícula e atomizador ultrassônico para umidificar o ambiente gotícula. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
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 controle ambiental de umidade ativa baseado em atomizador também estão incluídos. (Um microscópio típico de fluorescência custa mais de ~$1.50019, e até mesmo um microscópio de fluorescência digital de baixo custo custa US$ 300.) Esses baixos custos tornam nosso kit prático para um ambiente educacional em larga escala. Para comparação, o Dropbot atualmente custa ~$5.00020 e a plataforma OpenDrop custa ~$1.0002. Um resumo da comparação dessas plataformas é dado na Tabela 1.
| Comparação entre dropbot, opendrop e kit de educação | |||
| DropBot | OpenDrop | Kit de educação | |
| Substrato de eletrodos | substrato de vidro | Pcb | Pcb |
| Técnica de revestimento | Deposição a vácuo | filme fino e óleo | Envoltório de alimentos e óleo |
| Sinal de atuação | ac (10kHz, típico) | Dc | Dc |
| Condução eletrônica | Amplificador HV e matriz de relé | Transistor de efeito de campo | Transistor de efeito de campo |
| Ambiente umedecido | nenhum | nenhum | sim. Com atomizador |
| Capacidade de imagem | Microscpe Externo | Microscpe Externo | sim. Com Smart Phone |
| custar | $5.000 | $1.000 | 100 dólares. |
Tabela 1: Comparação entre Dropbot, OpenDrop e nosso kit Educacional.
Para avaliar a viabilidade do uso do nosso kit educacional, solicitamos 13 estudantes de graduação de formação variada. Seu curso inclui física, biologia, engenharia química, medicina, ciência de materiais, engenharia mecânica e engenharia elétrica. Nós propositadamente tentamos evitar a situação que os alunos vêm excessivamente da engenharia elétrica e organizar apenas um aluno com graduação em engenharia elétrica. Instruí-los a soldar componentes para o PCB e no teste final acionar o droplet em nosso kit dentro de 2h. Nenhum aluno, exceto um da engenharia elétrica, tem experiência anterior em solda. No final, coletamos as estatísticas. A taxa de sucesso é de 62%. Descobrimos que soldar o componente de montagem de superfície é o processo de gargalo de montagem bem sucedida do kit. A diretriz geral é a seguinte. Fintschenko apontou que ferramentas ou experimentos caem em algum lugar no espectro entre um limite "faça você mesmo" e o limite da caixa preta. Com a crescente experiência de engenharia ao lado dos alunos, por exemplo, de formação em engenharia elétrica, mais da sessão de laboratório pode assumir o sabor "faça você mesmo". No entanto, alunos inexperientes em termos de habilidades eletrônicas como as de química, biologia e bioquímica podem obter um benefício na caixa preta final do espectro com kits pré-organizados por instrutores.
Para referência, também tentamos delinear a faixa de parâmetros de gotículas líquidas que podem ser usadas. Para o tamanho, testamos o volume líquido máximo e mínimo para ser de 16 μL e 8 μL, respectivamente com volume líquido nominal de ~10 μL empregado. Limitamos nosso líquido a solução aquosa e evitamos solventes orgânicos para evitar a corrosão do isolador de plástico de polímero. Também escolhemos sistemas líquidos comumente disponíveis, como açúcar de mesa e sal, para cobrir uma gama de parâmetros como concentração iônica, valor ph, densidade e viscosidade. O resultado está resumido na Tabela 2. Entre esses testes, escolhemos a mistura de água glicerol como um meio de testar a viscosidade máxima das gotículas, mantendo outras propriedades físicas, como a tensão superficial relativa constante. Determinamos que a porcentagem máxima de peso do glicerol e a viscosidade correspondente seja de ~40% e 3,5 cp21. A concentração iônica máxima de trabalho até 1 M é testada com cloreto de sódio. O valor PH é testado com acetato, ácido cítrico e solução KOH.
| Sistema líquido | Parâmetro-chave | Faixa de trabalho |
| Mistura de água de glicerol | viscosidade | glicerol 40% wt ou 3,5 cps |
| Sacarose na água | densidade | até 60% wt |
| Ácido cítrico diluído na água | Valor PH | tão baixo quanto PH=3 |
| ácido acético | Valor PH | tão baixo quanto PH=4 |
| Koh | Valor PH | tão alto quanto PH= 11 |
| cloreto de sódio | Concentrção iônica | 10 mM a 1 M |
Tabela 2: Gama de sistema líquido, parâmetros e alcance de trabalho testado em nosso kit.
Aqui, discutimos brevemente a física envolvida para a atuação de gotículas. Utilizando a derivação eletromecânica, a força motriz em função da frequência e posição de gotícula pode ser derivada com base na capacidade energética armazenada no sistema a partir da diferenciação deste termo energético. Uma frequência crítica, fc, pode ser calculada para cada geometria/combinação líquida do dispositivo21. Abaixo dessa frequência, a força estimada reduz-se à prevista pelo método termodinâmico. Neste regime, a força que atua na gotícula decorre de cargas acumuladas perto da linha de contato trifásica sendo puxadas eletroesticamente em direção ao eletrodo atuado. Acima da frequência crítica, uma força líquido-dielectrophoretic domina para puxar a gota em direção ao eletrodo ativado. Em nosso experimento, usamos a atuação dc e, portanto, a operação está abaixo desta frequência crítica e, portanto, a linha de contato trifásica é eletroesstaticamente puxada em direção ao eletrodo atuado.
Em conclusão, o experimento geral foi projetado para dar ao leitor uma exposição prática aos microfluidos digitais. Mais especificamente, o kit permite que os alunos aprendam óptica, eletrônica e fluidez para que este aspecto seja adequado para qualquer curso de laboratório em engenharia elétrica e engenharia mecânica no nível superior. Além disso, o experimento específico de chemiluminescência pode ser empregado em um curso experimental de química ou engenharia química no nível superior. Embora o experimento descrito aqui seja uma versão simplificada de um cenário da vida real, ele pode ser estendido de forma simples a outros experimentos. Por exemplo, pode-se acoplar um kit de teste de papel e mover a gota para o papel para ser adsorvida. Também podemos combinar facilmente um microprocessador com outros dispositivos interativos de I/O para fornecer controle digital e programabilidade mais sofisticados. Acreditamos que o protocolo aqui também pode beneficiar os entusiastas não profissionais a aprender e aplicar eletrônicos para avançar ainda mais seus conhecimentos sobre o campo.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
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.
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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