將微流控分析引入高校分析化學的實驗教學*

蔡龍飛 徐春秀

(韓山師范學院化學系 廣東潮州 521041)

微流控分析或微型全分析系統(miniaturized total analysis systems,μTAS)的主要目標是把整個實驗室的功能(包括采樣、稀釋、加試劑、反應、分離及檢測等)集成在一枚微芯片上，實現分析實驗的微型化、便攜化。自從20世紀90年代Manz等人[1]提出該概念以來，微流控分析得到了迅速發展，微芯片的加工、微流體的操控等技術日趨成熟，與熒光、化學發光、紫外可見、電化學、質譜等分析技術已成功地實現聯用，廣泛應用于單細胞分析、高通量篩選等領域。我國的微流控分析研究雖然起步較晚，但是近10多年來發展迅速，在微流控分析的基礎研究、應用以及分析儀器微型化等方面取得了令人矚目的成績，發表的關于微流控領域的學術論文數已躍居世界第2位。

微流控分析作為分析化學的一個重要分支，正在引發一場分析化學的革命，因此有必要在高校分析化學的教學中適當增加微流控分析的內容。讓學生在本科學習階段即接觸到國際前沿的微流控分析，不但可以使學生對該領域有初步了解，激發學生的學習興趣，啟發學生的科學思維，而且可以在本科階段即發現和培養一些微流控分析的人才，促進我國微流控分析事業的發展。盡管微流控分析在我國發展較快，文獻報道逐年增多，但這一領域在分析化學教學中的比重卻與其發展水平不相稱。無論是在微流控發展水平較高的一些重點高校還是在其他普通高校，化學系本科生的教學中還很少涉及微流控分析。究其原因，可概括為以下幾點：首先，我國的微流控分析研究開始于本世紀初，起步較晚。在發展初期，芯片加工技術較復雜，加工設備昂貴，無法實現普及。第二，有關微流控分析的教科書還很缺乏[2]，有關微流控的基礎理論仍不完善。第三，很多科學家對微流控領域的前景仍持懷疑態度。

隨著我國微流控分析研究的發展，有越來越多的課題組開始從事該領域的研究。各種微芯片的加工技術日趨成熟，只需較簡單的儀器設備即可加工出包括玻璃、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)及聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)等在內的各種材質的芯片；關于微流控分析的理論、模擬等較為完善；微流控分析芯片已廣泛應用于諸多重要領域，成為單細胞分析、高通量篩選等的重要平臺；微型化、便攜式分析儀器開始出現。目前微流控的重要性已得到了包括化學、生命科學、醫學等領域科學家的廣泛認同。基于以上原因，在普通高校的分析化學教學中引入微流控分析教學的條件已經成熟。

微流控分析理論教學的內容可在完成毛細管電泳的講授后引入，即由毛細管電泳過渡到芯片毛細管電泳。這樣的銜接比較自然，學生容易接受。在芯片毛細管電泳教學中，應充分讓學生了解在微芯片上進行毛細管電泳分離的優勢，然后再講授微流控分析的發展歷程、優勢以及芯片的加工。微通道的尺度效應是一個非常有趣的現象，在微流控理論教學中應講授層流效應等微通道尺度效應。也可在教學中講授一些淺顯易懂的單細胞分析等較前沿的研究領域。實驗教學是教學的重要組成部分，可促進學生對理論課內容的理解。為使學生更好地理解微流控分析理論教學內容，適當開展微流控分析實驗教學非常必要。教學實驗既要突出微流控分析的特點與優勢，又應易于在普通實驗室開展。基于以上原則，我們設計了以下兩個實驗。

1 實驗Ⅰ 微通道中層流的形成及T傳感器測定氫離子[3]

層流是微流控流體區別于傳統宏觀狀態流體的顯著特征，可先讓學生觀察層流現象，然后再進行T傳感器測定氫離子的實驗。

1.1 微通道中層流的形成

流體的流動狀態與雷諾數(Re)有關。通常雷諾數小于2000時，液體表現為層流狀態。雷諾數定義為Re=ρdcv/μ，其中ρ為液體的密度；v為流速；dc為管徑；μ為流體黏度。微流控通道深通常為數十至數百微米。以30μm深的通道為例，對100μm/s流速的水，其雷諾數小于0.01。因此，低流速下，在微米級的通道中，流體通常表現為穩定的層流狀態。在教學實驗中，使用的芯片有3個或3個以上入口和1個出口(圖1)，在入口加入不同顏色的色素溶液，在重力驅動下觀察其層流的形成。

圖1 層流芯片構型圖1、2、3：芯片入口；4：芯片出口。芯片尺寸為20mm×30mm,通道深30μm，寬150μm。

1.2 T傳感器測定氫離子

T傳感器測定氫離子方法由Kamholz等人[3]提出，該方法利用樣品和試劑層流之間的擴散反應測定樣品中的氫離子。該方法中使用的芯片如圖2所示。在本教學實驗中，樣品溶液和酸堿指示劑溶液在重力驅動下，從各自的入口進入并在主通道匯合形成穩定的層流，樣品相中的氫離子擴散進入酸堿指示劑相,并在界面發生反應。根據界面顏色變化可定量測定氫離子的濃度。

本實驗的開展有助于學生理解微流控條件下與傳統條件下流體流動狀態的區別。本實驗所需儀器設備為玻璃芯片、體視顯微鏡，試劑為各種色素溶液和酸堿指示劑，采用重力驅動，不需要使用注射泵等昂貴的驅動設備。儀器設備簡單、試劑易得，易在普通實驗室開展。

2 實驗Ⅱ 芯片毛細管電泳分離分析氨基酸

芯片毛細管電泳是在玻璃、石英等芯片的微通道中，以電場為驅動力，借助于離子或分子在電遷移或分配行為上的差異，對復雜樣品中的多種組分進行高速分離分析的技術[2]。與常規毛細管電泳相比，芯片毛細管電泳具有以下優點：

(1) 玻璃芯片具有較好的散熱性能，電泳分離時產生的焦耳熱能得到及時散發，因此可以在芯片毛細管電泳分離中施加傳統毛細管電泳分離無法達到的高場強，實現高速、高效的電泳分離。

(2) 利用微加工技術，在芯片上加工出各種分析單元，實現進樣、樣品處理、分離、分析等各種分析單元的集成。

本實驗將采用芯片毛細管電泳分離5種氨基酸組分。精氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、谷氨酸及天門冬氨酸經異硫氰酸熒光素(fluorescein isothiocyanate，FITC)標記后，以pH=9.2的硼酸為緩沖液，在十字構型的芯片上控制各液池的電壓,以夾流進樣法進樣后,進行電泳分離。

本實驗所需儀器設備為一枚十字構型的微芯片、高壓電源系統及簡易自制的激光誘導熒光檢測系統，設備較為簡單。所需試劑在常規分析實驗中較為常見，容易獲得。因此本實驗適合在普通實驗室開展。

上述兩個實驗所需平臺較易搭建，將在筆者執教的化學系本科生分析化學教學實驗中開展。雖然玻璃芯片加工理論較簡單，但技術上要求較高，因此考慮到實驗進度和成本的限制，實驗中使用的玻璃芯片皆由實驗指導教師在教學實驗開始前加工而成。隨著本實驗室微流控分析平臺建設的不斷完善，實驗的選擇和個數均可有所調整。其他高校的實驗主講教師也可根據自身實驗室的條件和學生水平開設出一些難度和意義更大的微流控分析實驗，如單細胞分析等，使學生能對該領域有更為深入的了解，進一步激發學生的學習興趣。

參 考 文 獻

[1] Manz A,Graber N,Widmer H M.SensActuatorsB,1990(B1):244

[2] 方肇倫.微流控分析芯片.北京:科學出版社,2002

[3] Kamholz A E,Weigl B H,Finlayson B A,etal.AnalChem,1999,71(23):5340