Ein vielseitiges Kit basierend auf digitaler Mikrofluidics Droplet-Betätigung für die wissenschaftliche Bildung

Microfluidics ist ein hochgradig interdisziplinäres Feld, das Physik, Chemie, Biologie und Technik zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen von Femtoliter bis Mikroliter¹. Mikrofluidik ist auch ein sehr breites und aktives Feld; eine Web of Science-Suche gibt fast 20.000 Publikationen zurück, und dennoch gibt es nicht genügend Literatur und Rezensionspapiere über die Verwendung von Mikrofluidik als pädagogisches Werkzeug². Es gibt zwei aufschlussreiche, wenn auch veraltete Rezensionsartikel von Legge und Fintschenko^3,4. Legge führt Pädagogen in die Idee eines Labors auf einem Chip³ein. Fintschenko wies auf die Rolle des Mikrofluidik-Lehrlabors in der Mint-Ausbildung (Science Technology Engineering Mathematics) hin und vereinfachte die Philosophien in “Mikrofluidik lehren” und “Mikrofluidik verwenden”⁴. Eine neuere Rezension von Rackus, Ridel-Kruse und Pamme im Jahr 2019 weist darauf hin, dass die Mikrofluidik nicht nur interdisziplinär ist, sondern auch ein sehr praktisches Thema²ist. Die praktische Aktivität im Zusammenhang mit der Praxis der Mikrofluidik verleiht den Studierenden forschungsbasiertes Lernen und macht es zu einem fesselnden Werkzeug für die Wissenschaftskommunikation und Öffentlichkeitsarbeit. Mikrofluidik bietet in der Tat viel Potenzial für die wissenschaftliche Bildung sowohl in formellen als auch in informellen Umgebungen und ist auch ein ideales “Werkzeug”, um die breite Öffentlichkeit für den interdisziplinären Aspekt der modernen Wissenschaften zu begeistern und zu erziehen.

Beispiele wie kostengünstige Mikrokanalgeräte, Papiermikrofluidik und digitale Mikrofluidik sind ideale Werkzeuge für Bildungszwecke. Unter diesen Plattformen bleibt die digitale Mikrofluidik esoterisch, und es fehlen Berichte, die auf digitaler Mikrofluidik basieren,². Hier schlagen wir vor, digitale Mikrofluidik aus mehreren Gründen als pädagogisches Instrument zu nutzen. Erstens unterscheidet sich die digitale Mikrofluidik sehr von mikrokanalbasierten Paradigmen, da sie auf der Manipulation der Tröpfchen und der Verwendung der Tröpfchen als diskrete Mikrogefäße basiert. Zweitens werden Tröpfchen auf relativ generischen Elektroden-Array-Plattformen manipuliert, so dass digitale Mikrofluidik eng mit Mikroelektronik gekoppelt werden kann. Benutzer können auf einen erweiterten Satz elektronischer Komponenten zugreifen, die jetzt für Heimwerkeranwendungen gut zugänglich sind, um die elektronische Schnittstelle mit Tröpfchen zu ermöglichen. Daher argumentieren wir, dass digitale Mikrofluidik es den Schülern ermöglichen kann, diese einzigartigen Aspekte zu erleben und aufgeschlossen zu sein, nicht übermäßig an Mikrokanal-basierter geringer Reynold-Anzahl mikrofluidics¹festzuhalten.

Kurz gesagt, der Bereich der digitalen Mikrofluidik basiert weitgehend auf den Elektronässungsphänomenen, die zuerst von Gabriel Lippmann^5,6beschrieben wurden. Die jüngsten Entwicklungen wurden von Berge In den frühen 1990er Jahren^{initiiert 7}. Sein Wichtigster Beitrag ist die Idee, einen dünnen Isolator einzuführen, um die leitfähige Flüssigkeit von metallischen Elektroden zu trennen, um das Problem der Elektrolyse zu beseitigen. Diese Idee wurde als Elektronässe auf Dielektrikum (EWOD) bezeichnet. In der Folge wurde die digitale Mikrofluidik von mehreren Pionierforschern bekannt gemacht^8,9. Nun wurde eine umfassende Liste von Anwendungen, z.B. in der klinischen Diagnostik, Chemie und Biologie, zur digitalen Mikrofluidik^10,11,12 nachgewiesen und somit stehen viele Beispiele für einen pädagogischen Rahmen zur Verfügung. Insbesondere auf der Linie der niedrigen Kosten, Do-it-yourself digitale Mikrofluidik, Abdelgawad und Wheeler haben zuvor berichtet low-cost, Rapid Prototyping der digitalen Mikrofluidik^13,14. Fobel et al., hat auch Berichtet DropBot als Open-Source-Digital-Mikrofluid-Steuerungssystem¹⁵. Yafia et al., berichtete auch eine tragbare digitale Mikrofluidik auf Basis von 3D-gedruckten Teilen und kleineretelefon¹⁶. Alistar und Gaudenz haben auch die batteriebetriebene OpenDrop-Plattform entwickelt, die auf dem Feldeffekt-Transistor-Array und der DC-Betätigung¹⁷basiert.

Hier präsentieren wir ein digitales Mikrofluidik-Lernkit, das auf einer leiteritellen Leiterplatte (PCB) basiert, die es dem Benutzer ermöglicht, praktische Erfahrungen mit digitaler Mikrofluidik zu sammeln und zu sammeln (Abbildung 1). Die Gebühr für den Service zum Erstellen von Leiterplatten aus digitalen Designdateien ist weit verbreitet, und daher denken wir, dass es sich um eine praktikable kostengünstige Lösung für die Bildung handelt, vorausgesetzt, dass digitale Designdateien gemeinsam genutzt werden können. Die sorgfältige Auswahl der Komponenten und das Systemdesign werden getroffen, um den Montageprozess zu vereinfachen und eine Schnittstelle mit dem intuitiven Benutzer zu schaffen. Daher wird anstelle einer Zwei-Platten-Konfiguration eine Ein-Platten-Konfiguration verwendet, um eine Platte zu vermeiden. Sowohl die Komponenten als auch die Prüfchemikalien müssen leicht verfügbar sein. Zum Beispiel wird Lebensmittelverpackung aus dem Supermarkt als Isolator in unserem Kit verwendet.

Um die Machbarkeit unseres Kits zu beweisen, schlagen wir ein spezifisches Chemieexperiment vor, das auf der Chemilumineszenz von Luminol basiert, und stellen das Protokoll zur Verfügung. Die Hoffnung ist, dass die visuelle Beobachtung der Chemilumineszenz Studenten begeistern und begeistern kann. Luminol ist eine Chemikalie, die einen blauen Glanz aufweist, wenn sie mit einem Oxidationsmittel wie_H2O2 gemischt wird und in der Regel in der Forensik verwendet wird, um Blut zu erkennen¹⁸. In unserem Labor dient Kaliumferricyanid als Katalysator. Luminol reagiert mit dem Hydroxid-Ion und bildet ein Dianion. Das Dianion reagiert anschließend mit Sauerstoff aus Wasserstoffperoxid, um 5-Aminophthalsäure mit Elektronen in einem angeregten Zustand zu bilden, und die Entspannung der Elektronen vom angeregten Zustand in den Bodenzustand führt zu Photonen, die als Blaulichtausbruch sichtbar sind.

Wir berichten auch über ein fluoreszierendes Bildgebungsexperiment mit einem Smartphone, um die Integration einer Leuchtdiode (LED) als Anregungslichtquelle zu demonstrieren. Schließlich ist die Tröpfchenverdunstung ein Problem in der Mikrofluidik, wird aber selten angegangen. (Ein Wassertröpfchen von 1 l geht innerhalb von 1 h von einem offenen Substrat³verloren.) Wir verwenden einen Zerstäuber auf Basis eines hochfrequenten Piezo-Wandlers, um Wasser in feinen Nebel umzuwandeln. Dadurch entsteht eine befeuchtete Umgebung, um eine Tröpfchenverdunstung zu verhindern, und zeigt eine langfristige (ca. 1 h) Tröpfchenbetätigung.

Abbildung 1:Schemata der EWOD-Einrichtung. (a) Ein Mikrocontroller wird verwendet, um der EWOD-Elektrode eine Regelsequenz zur Verfügung zu stellen. Auch die Luftfeuchtigkeit wird kontrolliert. (b) Schemata des Leiterplattenlayouts. Elektroden, LED für fluoreszierende Bildgebung, Widerstand und Feldeffekttransistoren (FET) sind gekennzeichnet. Maßstabsleiste von 1 cm wird ebenfalls angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2:Obere Ansicht des Kits. Mikrocontroller-Platine, Hochspannungs-Versorgungsplatine, EWOD-Leiterplatte, Feuchtesensor und Zerstäuber sind beschriftet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.