微芯片化學實驗設計*

◆吳劍 張葉 俞晨秀 吳晟 陶文娟

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

1 緒論

微全分析系統(μ-TAS) 是將化學實驗室的各項功能如樣品預處理、進樣、分離與檢測等，集成到信用卡大小的芯片上，實現實驗室的微型化。其通過各種技術在芯片上高效集成，使各個學科都可在微型化的研究平臺上進行融合，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，大大降低實驗成本。這些優點為分析測試技術普及到戶外、課堂、家庭創造了條件。它已經廣泛應用于芯片毛細管電泳、材料合成、免疫分析、細胞操縱、蛋白質結晶研究等眾多領域[1-4]，是分析科學研究的熱點之一。

微芯片技術固然在科研方面取得了長足的進展，引起了人們的關注，但是這項技術應用在教研方面特別是實驗教學方面的報道尚不多見。考慮到微芯片技術具有的低能耗、低成本、便攜等特點，筆者認為該技術可以在化學實驗教學方式、手段等方面帶來新的突破，成為繼微型化學實驗后新的教學手段。

微型化學實驗是20世紀80年代崛起，國際上公認的能體現綠色化學理念的化學實驗的新技術和新方法。其具有節約藥品、節省時間、減少實驗的“三廢”等優點，引起了國內外實驗教學人員的普遍重視[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施，無法真正帶入課堂進行實驗，同時儀器設備需要特制，因此價格上也較貴，無法實現教師乃至學生對反應裝置的自我設計。

相對來說，微芯片技術具有下面一些優點。

1）其通過微加工技術，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絡，加工制作的成本極其低廉。如使用PDMS芯片加工技術，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制和加工出所需要的微型器件，這就使得微型反應所需要的很大的一筆投入——微反應裝置的成本大大降低。其設計可以在普通實驗室甚至是家庭內完成，使得教師在進行教學的過程中可以自己設計加工相關的微型反應裝置，甚至學生也可以在教師指導下進行芯片加工，設計和制備出自己想要的設備，引起他們的興趣，培養他們的自主創新能力。

2）芯片制備的成本低廉，易于攜帶，且消耗的樣品量少，產生的廢物也少，需要清洗的次數少，可以在實驗后集中統一清洗，如果是一次性使用的芯片則無需進行清洗，因此無需配套的水電設備，使其可被帶入課堂，真正實現理實一體化教學。

3）微芯片技術功能強大，集成化程度高，有利于學生知識的融會貫通。如在進行生化實驗的時候，就可以通過陣列微流控濃度梯度網絡來配制溶液、培養細胞、進行給藥與分析，實現無機、分析、生化、藥化等實驗內容的整合與融合。這樣有助于培養學生在交叉學科領域進行協作創新，符合《高等學校創新能力提升計劃》的要求。

眾所周知，在化學實驗教學中，學生實驗需要消耗大量的試劑和玻璃儀器。近年來，由于化學試劑和玻璃儀器的價格不斷上漲，化學實驗所需經費越來越多，已經成為困擾高校的一個重要問題。另外，化學實驗所用的試劑大都易燃、易爆、有毒，會對實驗室的環境造成污染。如果通風條件不好，有毒氣體排出不暢，會使學生和教師的健康受到危害。化學實驗產生的廢氣、廢液及廢固排出后，對周邊環境也會產生污染。在高職高專教學中強調理實一體化教學、任務驅動式教學等先進的教學方法，但是化學實驗的這些特點使得常規的化學實驗很難做到理實一體化教學，因為實驗必須要使用特定儀器設備，要用到大量的試劑，需要專門的管理，需要進行設備的清洗才能進行下一步實驗，這些都要求化學實驗必須在實驗室中分小班進行，無法進入教室，即使采用微型化實驗也無法做到。微芯片法試劑消耗少意味著可以節約實驗經費，且實驗產生的廢棄物也少，后續處理方便，微芯片化實驗裝置很小，可以將實驗室搬到教室進行，無須小班教學，有利于實現理實一體化教學。甚至可以讓學生參與到微芯片化實驗裝置的制備當中，讓他們實現實驗器材的DIY，提高他們的學習興趣，為化學實驗課程的教學與改革提供了一個非常理想的平臺。

2 化學實驗微芯片制備及其應用

用Illustrator軟件設計圖案，用打印機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注入微反應器2中，通過注射器將AgNO3水溶液通過微通道3注射進2中，就可以觀察到反應器中先生成白色的AgCl沉淀，繼續加入AgNO3最后生成磚紅色Ag2CrO4沉淀。

圖1 分步沉淀微化學反應芯片的制備過程

圖2 分步沉淀實驗演示芯片

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，每個芯片進行1次實驗所消耗的AgNO3等試劑的體積均在5 μL左右，是微乎其微的。而在常規實驗中，由于儀器價格的限制，往往不能一人一套實驗器材而必須一組（2～3人）共有，生均消耗AgNO3在0.5 mL左右。即常規實驗中1個學生所消耗的試劑量就足夠1個行政班級（100人）的學生進行一次微芯片法實驗。由于芯片尺度小、重量輕、便于攜帶，使得該實驗可以在進行理論課教學時隨堂進行。在這些實驗操作中，實驗試劑基本上處于注射器與PDMS的封閉體系中，且用量極少，因此不會產生污染，在實驗完成后微芯片可以回收進行清洗和重復利用。此外，芯片管道形狀還可以自行設計，達到教師或學生自己設計實驗裝置的目的，提高他們的創新能力。總體來看，微芯片化的化學設備實驗消耗少、污染少、成本低，是一種理想的新型實驗教學手段。

3 結論

微芯片法具有鮮明的特點，發展微芯片化、口袋化學實驗裝置，可作為一種新的實驗教育的手段解決無機、有機、分析等化學實驗課程存在的試劑消耗多、三廢處理能力弱、實驗經費有限、難以實現理實一體化教學等問題，從器材、試劑消耗等各方面降低教學成本，實現綠色化學實驗，其應用前景廣闊，值得深入研究。

[1]Graber N, Ludi H, Widmer H M. Sens. Actuator B,1990(1):239-2432.

[2]Manz A, Graber N, Ludi H, Widmer H M. Sens.Actuator B,1990(1):244-248.

[3]方肇倫,等.微流控分析芯片[M].北京:科學出版社,2003.

[4]Wu J, Bai H, Zhang X, Xu J, Chen H. Langmuir,2010(2):1191-1198.

[5]周寧懷.微型無機化學實驗[M].北京:科學出版社,2000.

[6]姚如富,方敏秀.中學化學實驗與學生的環保意識[J].安徽教育學院學報,2002(6):100-101.

[7]劉長勝.對中學化學實驗微型化策略的探究[J].中國教育技術裝備,2011(17):119-120.

[8]Liu J, Li H, Lin J. Anal. Chem,2007(1):371-377.