酸堿指示劑教學微流控芯片的制作*

吳 劍，張 葉，高 煥

（安徽中醫藥高等專科學校，安徽蕪湖 241000）

技術方法

酸堿指示劑教學微流控芯片的制作*

吳 劍，張 葉，高 煥

（安徽中醫藥高等專科學校，安徽蕪湖 241000）

微流控芯片；酸堿指示劑微芯片；教學用微芯片；分析化學

微型全分析系統(miniaturized total analysis system，μ-TAS)的概念是Manz等于20世紀90年代初首次提出[1-2]，其中的微流控芯片綜合了分析化學、微機電系統(micro electro mechanical system，MEMS)、計算機、材料學、生物醫學等多學科領域，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，實現了實驗室的微型化，大大縮短了整個分析流程所需要的時間，也將試劑的消耗降低到微升甚至納升級，并能實現多種分析功能。從本世紀初開始，微流控芯片技術得到了飛速發展，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，是分析科學研究的熱點之一[3-4]。但該方法目前主要應用于科研方面，教研方面應用較少且制作成本昂貴，而微芯片法耗材少、微型化等特點符合綠色化學、微型化化學實驗的要求。微型化學實驗是目前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，具有節約藥品、節省時間、減少實驗“三廢”等優點，得到了國內外實驗教學人員的普遍重視[5-7]。但微型化裝置需要配套的水電等設施，無法真正進行課堂實驗，同時儀器設備需要特制，價格也較昂貴，無法實現教師、學生對反應裝置的自我設計。吳劍等[8]將微型化學實驗和微流控芯片兩個概念結合在一起，利用打印模板法制備了微芯片化的教學用芯片。該方法制備芯片較為方便快速，缺陷是打印模板法的模板管道較薄，管道容易斷裂導致實驗失敗。另外，演示區域的顏色變化也不明顯，學生不易觀察到顏色變化。本研究利用面粉和焊錫絲制備模板，該方法制備方便，并且容易剝離用于演示酸堿指示劑的教學微芯片，該芯片通過形成酸的濃度梯度后與加了指示劑的堿相互作用，產生不同的顏色變化，方便學生直觀觀察，獲得了較好的教學效果，且制作成本低廉，學生可自行完成制作。現將制作方法報告如下。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器 聚二甲基硅氧烷（PDMS）Sylgard 184，Dow Corning(Midland，MI，美國)；維修佬焊錫絲0.5mm，透明環氧樹脂水晶膠（綠循化工商行，江蘇，昆山）。所用試劑除非特別標明的均為分析純。所有試劑均用18 M?/cm的Millipore水配制。

1.2 教學芯片模板的制作 將焊錫絲按照陣列微流控濃度梯度網絡的圖案，彎曲成所需要的形狀，并排列在培養皿的底部，各焊錫絲之間用面粉黏合保證各部分的連接，即可制備微芯片的模板。見圖1：

圖1 焊錫絲-面粉制作的陣列微流控濃度梯度網絡模板

1.3 教學微芯片的制作 將PDMS按照單體：固化劑=10：1的比例混合均勻，傾注到1.2中有模板的培養皿內并淹沒全部模板，靜置待氣泡除盡，置烘箱中60℃加熱2h，PDMS固化，用小刀小心的將PDMS切下獲得管道片；用收音機天線改裝的3mm直徑的打孔器在芯片的入口1、2處和出口3、4、5、6、7處分別打上圓孔制備管道片。在另外同尺寸的培養皿中傾注PDMS，同樣方法制備無管道的上下兩片PDMS片，在上片對應入口1、2處的位置打上小孔，將三片PDMS片按照上片、管道片、下片的位置貼合在一起即完成芯片的制作。見圖2：

圖2 教學微芯片示意圖

1.4 試劑的準備 用90%的乙醇配置0.1%的甲基橙溶液，以及配置0.1mol/L的NaOH溶液、0.2mol/L的鹽酸溶液。取25ml 0.1mol/L的NaOH溶液，其中滴加1滴甲基橙溶液，震蕩均勻，備用。

1.5 教學微芯片的應用 將圖2中的下底片貼在管道片下面，將1.4中滴加了甲基橙的NaOH溶液預先放置在管道片下端3-7五個出口處的小孔內，然后將上底片貼在管道片上，注意對準進口處的小孔位置，將1.4中的鹽酸溶液和純化水分別裝入兩支注射器，裝鹽酸的注射器放置在進口1、裝純化水的注射器放置在進口2，同時推動兩支注射器將鹽酸和純化水溶液注射進管道片的管道內，鹽酸溶液將和純化水混合并在3-7的出口處形成濃度梯度。理想狀態下可以形成(0.2、0.175、0.1、0.025、0)mol/L 5個HCl的濃度梯度。其中3、4處鹽酸過量，甲基橙的顏色將變為紅色，且3處顏色更深；5處鹽酸和NaOH理論上完全反應，pH=7，甲基橙為黃色；6、7處NaOH過量甲基橙為黃色，顏色深淺程度為5＜6＜7。學生可以自行使用本芯片操作獲得上述結果，方便學生理解相關內容，且能實現理實一體化教學。教師結合芯片上的結果講解與指示劑變色相關的教學內容，溶液pH值的變化使指示劑共軛酸堿的離解平衡發生移動，致使顏色變化。弱酸指示劑在溶液中存在下列平衡：

KHIn為指示劑的離解平衡常數。

2 結語

本研究通過焊錫絲、面粉等簡易工具制備了酸堿指示劑教學微芯片，該芯片尺寸小、便攜性好，制作成本低廉，可在課堂上進行理實一體化化教學，方便同學理解教學內容，是一款成功的便攜式教學微芯片，為分析化學教學增加了新的有效手段。

[1]Graber N，Lüdi H，Widmer HM.The use of chemical sensors in industry [J]. Sensors and Actuators B:Chemical，1990，1(1-6):239-243.

[2]Manz A，Graber N，Ludi H，Widmer HM.Miniaturized total chemical analysis systems: a novel concept for chemical sensing [J].Sensors and Actuators B:Chemical，1990，1(1-6):244-248.

[3]方肇倫，殷學鋒，方群，等.微流控分析芯片[M].北京：科學出版社，2003.1-12.

[4]Wu J, Bai HJ, Zhang XB, et al. Thermal/plasma-driven reversible wettability switching of abare gold film on a poly(dimethylsiloxane)surface by electroless plating[J]. Langmuir,2009,26(2):1191-1198.

[5]周寧懷，微型無機化學實驗[M].北京：科學出版社，2000.1-8.

[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，2002，20(6)：100-101.

[7]曾紅，丁慧萍.微型化學實驗在基礎化學實驗教學中的研究[J].廣州化學，2016，41(3)：73-76.

[8]吳劍，張葉，俞晨秀，等.微芯片化學實驗設計[J].中國教育技術裝備，2013（，21）：129-130.

O6-3

A

1004-6879（2018）01-0055-03

* 安徽省省級精品課程（2013gkk016）

2016-10-13)

(技術方法欄目編輯：張 健)