科研項目轉化的“玻璃微噴嘴的制作及檢測”實驗設計

朱麗 狄長安

摘要：微流體器件的加工是微流控技術領域的一個研究熱點，根據進行的科研工作以及實驗教學的經驗，將科研課題中具有創新性和教學可行性的內容植入實驗教學中，設計了題為“玻璃微噴嘴的制作及檢測”的創新性開放實驗，以促進復合型創新人才培養。實驗內容多學科交叉融合，涉及微噴嘴激光微加工及顯微檢測等內容。實踐表明，通過這種科研和實驗教學相融合的方案，使學生緊跟科技發展腳步，激發了學生的學習興趣和探索潛能，鍛煉了動手實踐和創新能力。

關鍵詞：微流控技術;玻璃微噴嘴;創新性實驗;科學研究

中圖分類號：G642.423? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0265-03

一、引言

建設創新型國家的核心在于擁有大批創新型的人才，而高等學校作為人才培養的主體應積極思考如何全方位地培養創新型的人才[1-3]。微流控技術是近些年來發展起來的一項以微流體操控為核心的科學技術[4-6]，它把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離檢測、細胞操控等基本操作單元集成或基本集成到芯片上，具有高效率、低成本、低消耗、易集成、高通量、高適用性等特點，已發展成為介觀物理學、基因生物學、微機械學、微電子學、流體力學、分析化學、材料學、傳熱學以及光電學等多學科交叉的嶄新研究領域，具有巨大的發展潛力和廣泛的應用前景。

將科研成果融入實驗教學環節將極大提高學生的創新思維能力，這是培養創新型人才的必要手段[7]。微流控的研究涉及基礎器件的設計與制造、微流體實驗和理論研究，側重于宏微尺度效應和機、電、熱、生化和其他領域的耦合理論，液體微噴射技術是微流控技術中的一個重要的應用方向。為了讓學生了解多學科交叉研究前沿，并能綜合運用所學理論知識解決實際工程問題，在大量教學和研究的基礎上，將科研成果轉化為創新性實踐資源，設計了“玻璃微噴嘴的制作及檢測”創新性實驗項目，該項目涉及玻璃激光拉制加工、微噴嘴尺寸檢測等方面，可以為微噴嘴的低成本、簡單、快捷制備提供切實有效的方法，同時也為微流控技術在大學生創新實踐中的應用提供借鑒和參考。

二、實驗設計

在微流體噴射的實際應用中，微噴嘴的幾何參數對其系統性能影響較大，甚至是決定性作用，所以本實驗除了讓學生學會玻璃微噴嘴的激光拉制以外還要掌握對微小尺寸的精確測量。

1.實驗目的。本實驗要求學生掌握玻璃激光拉制加工原理及方法，掌握顯微鏡測量微噴嘴尺寸方法。

2.實驗原理。硼硅酸鹽玻璃在溫度達到800℃時，即可進行吹制，所以在此溫度下可以拉制玻璃。對硼硅酸鹽玻璃進行加熱，主要有激光加熱、火焰加熱、電阻絲加熱等方法。電阻絲加熱和火焰加熱的可控性相對于激光差。激光器加熱迅速，可以精準控制加熱溫度等。本實驗采用帶有激光加熱器的微電極拉制儀拉制玻璃微噴嘴。玻璃微噴嘴的拉制原理如圖1所示，玻璃毛細管裝夾在水平可活動卡頭之間，激光源將玻璃毛細管加熱達到一定溫度值后，玻璃黏度系數下降，玻璃毛細管軟化成可流動的半熔融狀態，當溫度達到玻璃的塑性加工工藝溫度時，用預設的速度和拉力沿軸向拉制玻璃毛細管，就可拉制成玻璃微噴嘴。

3.實驗儀器及材料。SUTTER P-2000微電極拉制儀、數碼顯微鏡MS2020USB、硼硅酸鹽玻璃毛細管。

三、實驗結果與拓展

1.實驗結果。P-2000拉制儀主要包括5類參數的設置：（1）HEAT：加熱量。通過設置HEAT改變激光器的輸出功率，即可以改變玻璃管的加熱溫度。不同加熱溫度下的玻璃的黏度系數不同，拉制出的微噴嘴的尺寸不同。（2）FILAMENT：加熱區域大小。改變加熱區域大小可加熱不同面積的毛細管。不同值適用于不同尺寸的玻璃毛細管。（3）VELOCITY：速度。指拉開兩端玻璃的速度。不同值適用于不同尺寸的玻璃毛細管。（4）PULL：拉力。加熱后（或加熱時），拉力器根據設定的拉力值拉開兩端玻璃管。不同拉力情況下，拉制出的微噴嘴的尺寸不同。（5）DELAY：延遲時間。延遲時間的設定作用在于加熱結束多長時間后（前）將其拉開。不同延遲時間下，拉制出的微噴嘴的尺寸不同。

經過大量實驗，在激光拉制微噴嘴過程中，主要考查了上述五個控制參數對微噴嘴拉制結果的影響。微噴嘴質量好壞主要取決于微操作過程，因此本實驗非常注重考查學生的動手能力，重點培養學生進行微細操作時的耐心和熟練程度。

微噴嘴尺寸參數主要包括錐長及出口內徑，利用數碼顯微鏡完成尺寸測量。圖2為不同尺寸微噴嘴的顯微照片。學生經過實驗總結出：增大加熱量、拉力值、拉制速度均可增加微噴嘴的錐長、減小出口內徑;而加熱區域變大、延遲時間變短均增加微噴嘴的錐長，對出口內徑影響不大。

2.教學效果及實驗拓展。目前，本創新實驗項目已經針對測控、機械等專業本科學生開展了開放實驗課程，解決了傳統實驗中學生受專業、時間限制的問題。課程得到了學生的廣泛認可，取得了很好的實驗教學效果。做實驗之前，指導老師對學生告知實驗方法、目的及要求，但并沒有給出具體的步驟;指導老師會適時督促，對實驗中存在的問題進行啟發、引導，使學生能夠舉一反三。通過實驗，學生系統了解了微流控技術、微噴嘴的制備工藝及微小尺寸測量過程，讓學生親自參與科學研究實驗，通過獨立設計實驗方案、實際動手操作、實驗數據處理等多方面練習，在獲得全面訓練的過程中，培養理論聯系實際能力，將所學理論知識運動到實踐當中，大大調動了學生的主觀能動性。

本創新實驗教學在顯示出其獨特優勢的同時，也出現了一些問題，主要是由于本實驗平臺是基于科研平臺，臺套數受限，因此一次開放學生數有限，開放實驗的平臺有待進一步建設，需要學校給予一定的支持，讓更多學生從中受益。

與此同時，基于實驗中關鍵知識的掌握，本實驗內容可進一步拓展。教師可根據學生掌握的程度，把科研工作的新的內容及時補充到教學實驗當中。比如學生對于微流控技術的應用非常感興趣，學生在教師的啟發下，自己查閱文獻，可以自主加工不同尺寸的微噴嘴并應用于液滴微噴射、細胞微輸送操作等領域。圖3是學生利用自主設計加工的微噴嘴進行液滴微噴射打印、細胞數字化微輸送的實驗照片。在此基礎上，學生可以圍繞微流控技術申報國家、江蘇省大學生創新性實驗計劃，或申請發明專利、發表高水平論文等。

四、結語

創新性實驗是高等學校教育教學質量與教學改革工程的重要組成部分，對于培養學生的自主學習能力、團隊協作能力和創新實踐能力具有至關重要的作用。

將科研成果引入大學生創新實驗中，有利于開拓學生的學科交叉研究視野，充分激發學生的學習興趣和科學探索熱情，顯著提升學生的科研思維能力和創新實踐能力，符合國家對復合型創新人才培養的要求。本文設計的實驗項目涉及微噴嘴激光微加工及顯微檢測等內容，微噴嘴的制作方法具有工藝簡單、操作方便、成本低、易于推廣等優點。

在教學實踐中，學生進行玻璃微噴嘴加工及檢測，在實驗準備、實驗實施、實驗總結幾個環節中，學生認真查閱文獻，動手實踐，分析實驗數據，撰寫實驗報告，實現了科研項目和創新實驗項目的緊密結合，促進了對學生創新意識和探索精神的培養。

參考文獻：

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Design of Experiment on "Manufacture of Glass Micro-nozzles and Geometric Measurement" Transformed by Scientific Research Projects

ZHU Li，DI Chang-an

（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210094，China）

Abstract：Fabrication of microfluidic devices is a research hotspot in microfluidics technology.Based on the experience of scientific research and experimental teaching，the innovative and feasible teaching content from scientific research projects is implanted into experimental teaching and a innovative open experiment entitled "Manufacture of glass micro - nozzles and geometric measurement" is designed to promote the compound innovative talents.The experimental content is interdisciplinary，involving the Micro nozzle laser processing and measurement.The practice shows that through the integration of scientific research with experimental teaching，the students can keep pace with the development of science and technology.The new experimental technology is beneficial for the students to inspire their learning interest and exploring potential，and to exercise their practical and innovative ability.

Key words：microfluidic technology;glass micro-nozzles;innovative experiment;scientific research