微流控技術(shù)在高等院校本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方向與路徑

范一強(qiáng) 張亞軍

摘 要：微流控技術(shù)起源于上世紀(jì)90年代末，目前已經(jīng)在分析化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，微流控技術(shù)已經(jīng)逐漸成長為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、即時(shí)檢測(cè)、細(xì)胞/生物大分子等研究領(lǐng)域最為重要的研究工具。從微流控技術(shù)在高等院校中的實(shí)際應(yīng)用情況看，絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景仍處在科研實(shí)驗(yàn)室中，生物、化學(xué)、微電子、機(jī)械等相關(guān)學(xué)科本科階段學(xué)生尚無機(jī)會(huì)接觸和學(xué)習(xí)到微流控技術(shù)，在微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用的大背景下，亟需將微流控及其相關(guān)技術(shù)融入本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于拓寬學(xué)生的交叉學(xué)科視野具有重要作用。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，各類加工方法簡單易行且成本低廉的微流控芯片相繼出現(xiàn)，為將微流控技術(shù)引入本科階段教學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了基本條件。文章首先對(duì)微流控技術(shù)在國外高校本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，之后著重探討了幾種可能的將微流控技術(shù)應(yīng)用于生物、化學(xué)、微電子等專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法與路徑。

關(guān)鍵詞：本科教育；教學(xué)實(shí)驗(yàn)；微流控技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）02-0084-03

Abstract： The origin of microfluidics can be dated back to late 90s， up to now， microfluidics has been widely used in analytical chemistry， life science and medicine， and microfluidics has become one of the most important tools in cell biology and molecular biology. In a review of the current applications of microfluidics in higher education， most of the cases were aimed at research in certain area， microfluidics has been rarely used in the teaching experiments for undergraduate students in biological， chemical， electrical and mechanical majors. The integration of microfluidics in teaching experiments is of great importance to broaden students' horizons. After 20 years' development， lots of low-cost protocols have been invented by various researchers， which could be used for the integration of microfluidics in teaching experiments for undergraduate students. In this study， a brief review was provided for the current integration of microfluidics in teaching experiments in foreign countries， then a detailed discussion was provided for the possible protocols of integrating microfluidics in undergraduate teaching experiments.

Keywords： undergraduate education； teaching experiment； microfluidics

一、概述

微流控技術(shù)起源于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中對(duì)微量流體進(jìn)行操作的技術(shù)，后逐漸發(fā)展成為一門較為獨(dú)立的學(xué)科體系，近十年來，微流控技術(shù)在生命科學(xué)、分析化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。微流控是一門機(jī)械、電子、生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科，基于微流控技術(shù)的微流控檢測(cè)芯片具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)時(shí)間短、試劑消耗少、能耗低等顯著優(yōu)勢(shì)。微流控技術(shù)的發(fā)展方興未艾，未來必將在更為廣泛的領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

從國內(nèi)外高等院校在微流控相關(guān)教育的實(shí)施情況看，盡管國外部分高校開設(shè)了相關(guān)選修課程和在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中融入了微流控技術(shù)，但是還遠(yuǎn)未普及到生物工程、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、電氣工程、機(jī)械等本科階段學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不利于相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)術(shù)視野的開拓，也不利于畢業(yè)后的繼續(xù)深造的知識(shí)儲(chǔ)備需求。

從微流控技術(shù)的發(fā)展情況看，各類微流控芯片的加工技術(shù)相繼出現(xiàn)，其中不乏加工過程簡單易行、加工設(shè)備要求不高的基于聚合物、紙等低成本材料的微流控芯片加工技術(shù)，非常適合應(yīng)用于化學(xué)、生物等專業(yè)本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，將微流控技術(shù)與現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行融合，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)操作技能，也有助于拓展學(xué)生在微流控領(lǐng)域的知識(shí)貯備。本文首先對(duì)國外微流控技術(shù)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)的融合情況進(jìn)行了簡單回顧，之后提出了幾種將微流控技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施方法與路徑。

二、國內(nèi)外高校微流控相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)教育開展情況

將微流控技術(shù)引入教學(xué)實(shí)驗(yàn)最早的嘗試在2004年，哈佛大學(xué)的Ravgiala等研究者在面向高中科學(xué)課教師的暑期培訓(xùn)中，利用玻璃毛細(xì)管產(chǎn)生的液滴對(duì)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了單包裹，該項(xiàng)教學(xué)嘗試中使用了玻璃毛細(xì)管等常見的實(shí)驗(yàn)材料和簡單實(shí)驗(yàn)設(shè)備加工完成了具有實(shí)用功能的微流控芯片。

第一次將微流控技術(shù)系統(tǒng)性的引入教學(xué)實(shí)驗(yàn)的嘗試開始于2010年，由美國國家科學(xué)基金資助在美國辛辛那提大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、猶他州立大學(xué)以及北卡羅萊納州立大學(xué)五所高校的本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入了微流控技術(shù)，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生完成了一些簡單的微流控芯片的數(shù)值仿真模擬、加工制作與測(cè)試。該項(xiàng)目的實(shí)施者認(rèn)為這項(xiàng)在五所大學(xué)中的先導(dǎo)性的嘗試是成功的，對(duì)于學(xué)生提高交叉學(xué)科的創(chuàng)新能力有重要意義[1]。

從2011年開始，幾種基于低成本材料和加工方法的微流控芯片被逐步應(yīng)用于本科教學(xué)中，這些方法普遍不需要昂貴的實(shí)驗(yàn)材料，可以借助一些常見的辦公室、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，如激光打印機(jī)、蠟打印機(jī)[2]等完成微流控芯片的加工。比較有代表性的如Yang等人指導(dǎo)學(xué)生完成的基于果凍的微流控芯片[3]，以及Nguyen等研究者制備的用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基于熱縮片的微流控芯片[4]等。

近年來，在微流控技術(shù)引入教學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，不同的研究者都指出[5，6]，模塊化的微流控系統(tǒng)是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。通過模塊化的微流控系統(tǒng)，利用已經(jīng)制備完成的標(biāo)準(zhǔn)化芯片模塊，學(xué)生可以跳過芯片制備過程，直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇、組裝完成適用于實(shí)驗(yàn)要求的微流控系統(tǒng)，大幅提高實(shí)驗(yàn)效率。圖1展示了一種基于樂高玩具模塊化概念的微流控芯片系統(tǒng)[7]。目前國外已經(jīng)初步形成了模塊化微流控芯片生產(chǎn)加工體系，比較有代表性的公司有Micronit，Dolomite，Ch

ipshop等。

三、微流控技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法與路徑

將微流控技術(shù)應(yīng)用于高校本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，主要面臨兩方面的技術(shù)難題，主要體現(xiàn)在流體的流動(dòng)的數(shù)值模擬仿真以及微流控芯片的加工技術(shù)這兩方面。伴隨微流控技術(shù)的發(fā)展，這兩方面的技術(shù)難題不斷被研究者從各個(gè)不同方向所突破，已經(jīng)基本達(dá)到了引入本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件。

從微流控技術(shù)的數(shù)值模擬方向看，目前各高校理工科教育的本科階段普遍設(shè)置了有限元法相關(guān)的課程[8]以及流體力學(xué)基礎(chǔ)課程[9]，在這兩門課程知識(shí)積累的基礎(chǔ)上，通過目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的各類有限元分析軟件，本科階段的學(xué)生也可實(shí)現(xiàn)一些簡單的微流體流動(dòng)情況的數(shù)值模擬仿真分析。在微流控的數(shù)值分析方面，以COMSOL為代表的一些成熟的商業(yè)化軟件已經(jīng)具有了專門的微流控?cái)?shù)值模擬仿真模塊[10]，學(xué)生可以通過圖形化的編程方法實(shí)現(xiàn)建模、邊界條件設(shè)定、網(wǎng)格劃分、計(jì)算等過程，實(shí)現(xiàn)簡單的流體流動(dòng)、混合、液滴產(chǎn)生等的模擬分析，為后續(xù)微流控芯片的加工和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。如圖2展示的是用于加速流體混合的微流控芯片的COMSOL數(shù)值模擬。

從微流控技術(shù)的加工方法看，在微流控技術(shù)出現(xiàn)的早期，由于其加工制備技術(shù)直接繼承于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，往往需要使用各類昂貴的微加工設(shè)備（光刻、化學(xué)沉積、金屬濺射等）在硅片、玻璃等材料基體上制備完成微流控芯片，成本非常高昂，難以應(yīng)用在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。近年來各類基于聚合物、紙等材料的低成本微流控芯片加工技術(shù)相繼出現(xiàn)，很大程度上降低了微流控芯片的加工成本，創(chuàng)造了微流控芯片進(jìn)入本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的有利條件。

從目前微流控芯片加工技術(shù)的發(fā)展情況看，以下幾種加工方法不僅成本低廉，且加工方法簡單，加工精度也能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求：

1. 基于聚合物材料的二氧化碳激光燒蝕技術(shù)：二氧化碳激光是各類激光器中成本最為低廉的一種，在工業(yè)中具有較為廣泛的應(yīng)用，一般桌面型的二氧化碳激光器價(jià)格不超過萬元。利用二氧化碳激光在聚合物材料上燒蝕加工微結(jié)構(gòu)，不僅速度快、成本低廉，且流道結(jié)構(gòu)通過軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以加工較為復(fù)雜的微流控芯片；

2. 紙基微流控芯片：利用實(shí)驗(yàn)室常見的濾紙，在其表面加工具有疏水結(jié)構(gòu)的圍堰，形成微流控芯片。常見的疏水結(jié)構(gòu)可以由絲網(wǎng)印刷，蠟打印方法等加工完成，成本非常低廉，應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，適用于觀察具有顯色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程；

3. 基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）的微流控芯片，此類芯片的加工由PDMS倒模形成，其加工精度依賴于模具的加工精度，具體實(shí)施過程中可以利用各種實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備制作基于金屬、塑料等材質(zhì)的模具，用于PDMS芯片倒模。圖3展示了基于PDMS材料的微流控芯片；

4. 機(jī)械加工方法：利用數(shù)控銑床甚至手動(dòng)刻畫的方法在聚合物等材質(zhì)上加工出微結(jié)構(gòu)（微通道），適用于精度要求不高且不具有其他加工條件的場(chǎng)合，開展融合微流控芯片的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

表1總結(jié)和比較了上述四種適用于本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的微流控芯片加工方法，主要從材料成本、設(shè)備成本、鍵合方法、適用場(chǎng)合等方面進(jìn)行了比較，具體實(shí)施過程中可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活選擇。

四、結(jié)束語

本文討論了將微流控技術(shù)融入本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的可行性，以及方法與路徑。首先回顧了近年來國外本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中融入微流控技術(shù)的嘗試與發(fā)展情況，之后對(duì)微流控技術(shù)融入化學(xué)、生物、電子、機(jī)械等本科專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的可能方法與路徑進(jìn)行了討論，提出了幾種低成本微流控芯片加工技術(shù)融入本科專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的方法，最后對(duì)這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

微流控技術(shù)的發(fā)展方興未艾，已經(jīng)成為分析化學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科研究的重要技術(shù)手段，將微流控技術(shù)的教育納入到相關(guān)專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中是大勢(shì)所趨，對(duì)于提高學(xué)生的交叉學(xué)科創(chuàng)新能力和相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備起到了重要的推動(dòng)作用。

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