微芯片化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)*

◆吳劍 張葉 俞晨秀 吳晟 陶文娟

作者：吳劍，博士，安徽中醫(yī)藥高等專科學(xué)校藥學(xué)系講師，專業(yè)特長為生命分析化學(xué)；張葉、俞晨秀、吳晟、陶文娟，安徽中醫(yī)藥高等專科學(xué)校（241000）。

1 緒論

微全分析系統(tǒng)(μ-TAS) 是將化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)功能如樣品預(yù)處理、進(jìn)樣、分離與檢測等，集成到信用卡大小的芯片上，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的微型化。其通過各種技術(shù)在芯片上高效集成，使各個學(xué)科都可在微型化的研究平臺上進(jìn)行融合，同時可以大大縮短整個分析流程所需要的時間；也能將試劑的消耗降低到微升甚至納升級，大大降低實(shí)驗(yàn)成本。這些優(yōu)點(diǎn)為分析測試技術(shù)普及到戶外、課堂、家庭創(chuàng)造了條件。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于芯片毛細(xì)管電泳、材料合成、免疫分析、細(xì)胞操縱、蛋白質(zhì)結(jié)晶研究等眾多領(lǐng)域[1-4]，是分析科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

微芯片技術(shù)固然在科研方面取得了長足的進(jìn)展，引起了人們的關(guān)注，但是這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在教研方面特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的報道尚不多見。考慮到微芯片技術(shù)具有的低能耗、低成本、便攜等特點(diǎn)，筆者認(rèn)為該技術(shù)可以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、手段等方面帶來新的突破，成為繼微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)后新的教學(xué)手段。

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)80年代崛起，國際上公認(rèn)的能體現(xiàn)綠色化學(xué)理念的化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新技術(shù)和新方法。其具有節(jié)約藥品、節(jié)省時間、減少實(shí)驗(yàn)的“三廢”等優(yōu)點(diǎn)，引起了國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的普遍重視[5-7]。但是微型化裝置一般來說還是需要有配套的水電等設(shè)施，無法真正帶入課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時儀器設(shè)備需要特制，因此價格上也較貴，無法實(shí)現(xiàn)教師乃至學(xué)生對反應(yīng)裝置的自我設(shè)計(jì)。

相對來說，微芯片技術(shù)具有下面一些優(yōu)點(diǎn)。

1）其通過微加工技術(shù)，在平方厘米大小的玻璃或其他材料上加工出寬度為微米、長度為厘米級的管道網(wǎng)絡(luò)，加工制作的成本極其低廉。如使用PDMS芯片加工技術(shù)，只要有合適的模版（可以是精密加工的硅板，也可以是玻璃刻蝕的模版，甚至是打印的模版），即可以1元人民幣左右的成本不斷復(fù)制和加工出所需要的微型器件，這就使得微型反應(yīng)所需要的很大的一筆投入——微反應(yīng)裝置的成本大大降低。其設(shè)計(jì)可以在普通實(shí)驗(yàn)室甚至是家庭內(nèi)完成，使得教師在進(jìn)行教學(xué)的過程中可以自己設(shè)計(jì)加工相關(guān)的微型反應(yīng)裝置，甚至學(xué)生也可以在教師指導(dǎo)下進(jìn)行芯片加工，設(shè)計(jì)和制備出自己想要的設(shè)備，引起他們的興趣，培養(yǎng)他們的自主創(chuàng)新能力。

2）芯片制備的成本低廉，易于攜帶，且消耗的樣品量少，產(chǎn)生的廢物也少，需要清洗的次數(shù)少，可以在實(shí)驗(yàn)后集中統(tǒng)一清洗，如果是一次性使用的芯片則無需進(jìn)行清洗，因此無需配套的水電設(shè)備，使其可被帶入課堂，真正實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)。

3）微芯片技術(shù)功能強(qiáng)大，集成化程度高，有利于學(xué)生知識的融會貫通。如在進(jìn)行生化實(shí)驗(yàn)的時候，就可以通過陣列微流控濃度梯度網(wǎng)絡(luò)來配制溶液、培養(yǎng)細(xì)胞、進(jìn)行給藥與分析，實(shí)現(xiàn)無機(jī)、分析、生化、藥化等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合與融合。這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生在交叉學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行協(xié)作創(chuàng)新，符合《高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃》的要求。

眾所周知，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要消耗大量的試劑和玻璃儀器。近年來，由于化學(xué)試劑和玻璃儀器的價格不斷上漲，化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需經(jīng)費(fèi)越來越多，已經(jīng)成為困擾高校的一個重要問題。另外，化學(xué)實(shí)驗(yàn)所用的試劑大都易燃、易爆、有毒，會對實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境造成污染。如果通風(fēng)條件不好，有毒氣體排出不暢，會使學(xué)生和教師的健康受到危害。化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢氣、廢液及廢固排出后，對周邊環(huán)境也會產(chǎn)生污染。在高職高專教學(xué)中強(qiáng)調(diào)理實(shí)一體化教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)等先進(jìn)的教學(xué)方法，但是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的這些特點(diǎn)使得常規(guī)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)很難做到理實(shí)一體化教學(xué)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)必須要使用特定儀器設(shè)備，要用到大量的試劑，需要專門的管理，需要進(jìn)行設(shè)備的清洗才能進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，這些都要求化學(xué)實(shí)驗(yàn)必須在實(shí)驗(yàn)室中分小班進(jìn)行，無法進(jìn)入教室，即使采用微型化實(shí)驗(yàn)也無法做到。微芯片法試劑消耗少意味著可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，且實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢棄物也少，后續(xù)處理方便，微芯片化實(shí)驗(yàn)裝置很小，可以將實(shí)驗(yàn)室搬到教室進(jìn)行，無須小班教學(xué)，有利于實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)。甚至可以讓學(xué)生參與到微芯片化實(shí)驗(yàn)裝置的制備當(dāng)中，讓他們實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器材的DIY，提高他們的學(xué)習(xí)興趣，為化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)與改革提供了一個非常理想的平臺。

2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)微芯片制備及其應(yīng)用

用Illustrator軟件設(shè)計(jì)圖案，用打印機(jī)將圖案打印在膠片上，形成模板；然后將聚二甲基硅氧烷（PDMS）前聚體澆注其上，在60 ℃下加熱2小時后PDMS即可固化；揭下PDMS片，用打孔器在管道中央打孔，制備出微反應(yīng)器2。在芯片上下方貼上2塊薄PDMS片即完成整個芯片的制備，如圖1所示。

上述芯片可用于分步沉淀課程教學(xué)中：將一定濃度的NaCl和K2CrO4混合溶液通過微通道1注入微反應(yīng)器2中，通過注射器將AgNO3水溶液通過微通道3注射進(jìn)2中，就可以觀察到反應(yīng)器中先生成白色的AgCl沉淀，繼續(xù)加入AgNO3最后生成磚紅色Ag2CrO4沉淀。

圖1 分步沉淀微化學(xué)反應(yīng)芯片的制備過程

圖2 分步沉淀實(shí)驗(yàn)演示芯片

整個芯片的制備過程無需特殊裝置，制備一片如圖2所示的芯片的成本僅需約1元人民幣，每個芯片進(jìn)行1次實(shí)驗(yàn)所消耗的AgNO3等試劑的體積均在5 μL左右，是微乎其微的。而在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，由于儀器價格的限制，往往不能一人一套實(shí)驗(yàn)器材而必須一組（2～3人）共有，生均消耗AgNO3在0.5 mL左右。即常規(guī)實(shí)驗(yàn)中1個學(xué)生所消耗的試劑量就足夠1個行政班級（100人）的學(xué)生進(jìn)行一次微芯片法實(shí)驗(yàn)。由于芯片尺度小、重量輕、便于攜帶，使得該實(shí)驗(yàn)可以在進(jìn)行理論課教學(xué)時隨堂進(jìn)行。在這些實(shí)驗(yàn)操作中，實(shí)驗(yàn)試劑基本上處于注射器與PDMS的封閉體系中，且用量極少，因此不會產(chǎn)生污染，在實(shí)驗(yàn)完成后微芯片可以回收進(jìn)行清洗和重復(fù)利用。此外，芯片管道形狀還可以自行設(shè)計(jì)，達(dá)到教師或?qū)W生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的目的，提高他們的創(chuàng)新能力。總體來看，微芯片化的化學(xué)設(shè)備實(shí)驗(yàn)消耗少、污染少、成本低，是一種理想的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。

3 結(jié)論

微芯片法具有鮮明的特點(diǎn)，發(fā)展微芯片化、口袋化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，可作為一種新的實(shí)驗(yàn)教育的手段解決無機(jī)、有機(jī)、分析等化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程存在的試劑消耗多、三廢處理能力弱、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限、難以實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)等問題，從器材、試劑消耗等各方面降低教學(xué)成本，實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其應(yīng)用前景廣闊，值得深入研究。

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