將微流控技術(shù)引入大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的具體實踐

吳 靜，崔愛莉

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué) 化學(xué)系，北京 100084）

“新工科”建設(shè)是對世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革及全球蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟對工程教育改革和發(fā)展提出的新挑戰(zhàn)的積極回應(yīng)[1]。“新工科”中的“工科”是指工程學(xué)科，“新”包含新興、新型和新生三方面涵義。“新工科”建設(shè)的核心任務(wù)包括學(xué)科人才隊伍建設(shè)、學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究和學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)。其中，學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)是指“新工科”專業(yè)培養(yǎng)的人才要滿足行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的當(dāng)前和未來發(fā)展需要，也就是要培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的各類交叉復(fù)合型卓越工程科技人才。

實驗教學(xué)是對大學(xué)生進行工程實踐教育的最基礎(chǔ)、最初期、最常見的手段，對學(xué)生專業(yè)實踐能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展具有啟發(fā)和導(dǎo)向作用[2-4]。大學(xué)化學(xué)實驗作為一門基礎(chǔ)實驗課程，面向眾多工科專業(yè)開設(shè)，應(yīng)積極進行課程改革，引入新穎的、前沿性的實驗內(nèi)容，助力“新工科”建設(shè)。

微流控技術(shù)自20 世紀90 年代提出以來[5]，得到了迅速發(fā)展，目前已發(fā)展成為一門涵蓋化學(xué)、分子生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科。微流控技術(shù)作為一個新興領(lǐng)域充滿創(chuàng)新性，作為一門交叉學(xué)科具備跨界整合性，十分適合引入高校大學(xué)化學(xué)實驗課堂，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、跨界整合能力及交叉復(fù)合型知識背景。該技術(shù)還具有產(chǎn)業(yè)化潛力，可為學(xué)生今后的創(chuàng)業(yè)提供支持。

筆者結(jié)合多年大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)經(jīng)驗和微流控領(lǐng)域研究實踐，將微流控技術(shù)引入大學(xué)化學(xué)實驗課堂，設(shè)計了兩項微流控實驗，既體現(xiàn)了微流控技術(shù)的優(yōu)點，又適于在普通實驗室開展。以下對這兩項實驗的具體設(shè)計進行詳細介紹。

1 微流控技術(shù)

微流控技術(shù)又稱微全分析系統(tǒng)（micro total analysis system,μTAS）、微流控芯片（microfluidic chip）或芯片實驗室（lab on a chip），是指在一塊幾平方厘米（甚至更小）的芯片上集成化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測以及細胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以取代常規(guī)化學(xué)或生物實驗室各種功能的一種技術(shù)平臺。微流控芯片的研究優(yōu)勢在于：①芯片上的微通道和反應(yīng)器的體積都在微升級甚至是納升級，樣品和試劑消耗量少，有利于節(jié)約成本和實現(xiàn)綠色化學(xué)；②可在芯片上集成多種功能的反應(yīng)器和通道，有利于實現(xiàn)高通量和集成化；③可與多種儀器進行聯(lián)用，有利于提高檢測靈敏度及實現(xiàn)檢測手段的自動化、多樣化；④芯片的制作材料生物兼容性好，且通道和反應(yīng)器尺寸都在微米級，與細胞尺寸相匹配，有利于對細胞、細菌等生物樣品進行操縱。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微流控的加工、操控技術(shù)日趨成熟，只需簡單的設(shè)備即可加工出芯片，微流控技術(shù)引入大學(xué)化學(xué)實驗課堂的條件已經(jīng)成熟[6]。此外，微流控技術(shù)與紫外、熒光、化學(xué)發(fā)光、電化學(xué)和質(zhì)譜等技術(shù)已成功實現(xiàn)聯(lián)用，研究內(nèi)容涵蓋了分析化學(xué)、合成化學(xué)、細胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷和微生物學(xué)等綜合性交叉學(xué)科[7]，適合引入“新工科”背景下的大學(xué)化學(xué)實驗課堂。

2 實驗一：基于微流控芯片測液體表面張力

表面張力是液體重要的熱力學(xué)性質(zhì)之一，表面張力的測定有助于研究液體表面分子吸附的動力學(xué)和機理，還是研究農(nóng)學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)過程中界面現(xiàn)象的基礎(chǔ)[8-9]。例如，低表面張力的殺蟲劑在葉片表面更容易鋪展，從而能得到更好的殺蟲效果[10]。表面張力還會影響液體起泡性、互溶性及其對織物、紙張、金屬表面的潤濕性。因此，表面張力測定是工科學(xué)生必備的基本技能之一。傳統(tǒng)的表面張力測定方法包括滴重法、表面波法、吊環(huán)法、最大氣泡壓力法和毛細上升法等[11]，但這些方法都有一些不足之處。滴重法和表面波法需要昂貴的光學(xué)儀器和成像設(shè)備，并且滴重法的測量時間較長；吊環(huán)法和最大氣泡壓力法則要求設(shè)備能精確測量壓力和微小作用力；最大氣泡壓力法和毛細上升法的測量易受溫度影響。這些傳統(tǒng)方法的試劑消耗量大、測定步驟繁瑣、測定結(jié)果需要進行校準且無法進行高通量測定。而采用微流控技術(shù)，依據(jù)雙毛細管法原理，可在微流控芯片上實現(xiàn)高通量表面張力測量，且操作簡單易行、試劑消耗量少、測定速度快。

雙毛細管法的測定原理是，通過測量液體在兩根粗細不同的毛細管內(nèi)的上升高度，即可計算出液體的表面張力。依據(jù)這一原理，在玻璃基底上用濕法刻蝕法加工出如圖1(a)所示的內(nèi)徑和深度不同、底部連同的微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，刻蝕好的玻片與載玻片對準組合并用夾子固定，在聚酯透明片上打印出標尺，與微通道對準后貼在芯片上以測量微通道內(nèi)液面上升的高度（見圖1(b)）[12]。

圖1 測定表面張力的微流控芯片的制作

如圖2 所示，使用移液器將待測樣品加入內(nèi)徑較大的通道，液體受表面張力和重力的聯(lián)合作用，流入該通道底部，然后沿水平通道向右運動，受表面張力作用，液體會進入芯片上的其他通道，待液面穩(wěn)定后，液體在兩根不同內(nèi)徑的毛細管內(nèi)會形成高度差[12]。

圖2 基于微流控芯片測液體表面張力[13]

凹液面的表面張力和進入毛細管的液柱的重力相平衡[13]，根據(jù)Young-Laplace 方程（公式（1））可推導(dǎo)出公式（2），通過測定兩根毛細管內(nèi)液面的高度差Δh，就可計算出液體的表面張力。

其中，h是液體在毛細管中上升的高度；θ是液固界面接觸角，玻璃表面和有機溶劑的接觸角近似為零；γ是液體的表面張力；ρ是液體的密度；g是重力加速度；R1和R2分別是兩根毛細管的半徑。

使用密度和表面張力已知的液體（如乙醇）作為標準液體進行校正，則可用公式（3）測定表面張力，從而避免測定毛細管內(nèi)徑：

其中，Δh0是標準液體在兩根毛細管中的液面差，γ0和ρ0是標準液體的表面張力和密度。該測定過程中，樣品的加入操作簡單，液體在微通道中達到平衡所需時間短，每個樣品測定時間不超過1 min，所需樣品不超過15 μL，還可通過恒溫水浴槽精確控制實驗溫度。若在芯片上集成多個微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元，即可實現(xiàn)多種液體表面張力的同時測定。

3 實驗二：基于微流控芯片測定配位化合物的組成及穩(wěn)定常數(shù)

d層電子數(shù)為1—9 的過渡金屬離子與配體可形成有色配位化合物，這是因為過渡金屬離子的d層電子可吸收可見光中一定波長的光而發(fā)生d-d躍遷，不同配位化合物的躍遷能不同，所吸收的光的波長也不同，而吸光度又滿足朗伯-比爾定律，因此在大學(xué)化學(xué)實驗中，常采用分光光度法來測量配位化合物的組成及穩(wěn)定常數(shù)。具體原理是[14]，中心離子M 和配體X 在一定條件下可發(fā)生如公式（4）所示的配位反應(yīng)，生成有色配合物MXn。

若M 和X 均為無色，則溶液的吸光度與MXn的濃度成正比。可配制一系列含M 和X 的溶液，保持M 和X 的總物質(zhì)的量相等，而M 和X 的物質(zhì)量分數(shù)連續(xù)變化，在一定波長下測定上述溶液的吸光度，則可得如圖3 所示的吸光度曲線。

圖3 配合物的吸光度曲線

由最大吸光度A1所對應(yīng)的X 的物質(zhì)的量分數(shù)，根據(jù)公式（5）可求得配位數(shù)n，即測定配合物的組成。當(dāng)n=1 時，由于配合物有一定程度的分解，溶液實際最大吸光度為A2，可根據(jù)公式（6）計算出配合物的解離度α，再根據(jù)公式（7）計算出配合物的穩(wěn)定常數(shù)其中c是中心離子在最大吸光度A1點的物質(zhì)的量的濃度，ceq為解離平衡時各物質(zhì)的量的濃度。

以磺基水楊酸和Fe3+配位為例，用HClO4控制pH<2.5，磺基水楊酸和Fe3+以1∶1 配位，生成紫紅色螯合物。可設(shè)計如圖4 所示的微流控芯片，其上有螺旋形微通道，該通道有3 個入口和1 個出口，3 個入口分別用于按照表1 注入HClO4溶液、NH4Fe(SO4)2溶液和磺基水楊酸溶液，通道出口在螺旋形通道中心處。NH4Fe(SO4)2溶液和磺基水楊酸溶液預(yù)先用HClO4溶液稀釋至所需濃度。三種溶液在螺旋形通道中充分混合，然后將芯片放置在分光光度計中測其吸光度。

圖4 用于測定磺基水楊酸和Fe3+形成的配合物 組成及穩(wěn)定常數(shù)的微流控芯片示意圖

表1 測定磺基水楊酸和Fe3+形成的配合物的 組成及穩(wěn)定常數(shù)的溶液用量表 單位：μL

在微流控芯片上集成多個螺旋形微通道單元則可實現(xiàn)對多種濃度溶液吸光度的同時測定。采用微流控芯片測量吸光度，可省去使用多根比色管配制系列濃度溶液的步驟，測量效率大大提高。

4 結(jié)語

隨著微流控技術(shù)的不斷發(fā)展及與其他各種代表性技術(shù)日益融合和交叉滲透，其使用必將越來越普遍。在“新工科”建設(shè)背景下，將微流控技術(shù)等為代表的新技術(shù)引入本科實踐教學(xué)，可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、跨界整合能力和綜合素質(zhì)，從而逐步實現(xiàn)“新工科”人才培養(yǎng)目標，將“新工科”教育改革真正落到實處。