Um Kit Versátil baseado em atuação de gotículas de microfluídicas digitais para educação científica

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 Fintschenko^3,4. 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 Lippmann^5,6. 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 pioneiros^8,9. Agora, uma lista abrangente de aplicações, por exemplo, em diagnósticos clínicos, química e biologia, foi comprovada em microfluidos digitais^10,11,12 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 digitais^13,14. 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 atuação^{dc 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.