微芯片化学实验设计*

◆吴剑 张叶 俞晨秀 吴晟 陶文娟

作者：吴剑，博士，安徽中医药高等专科学校药学系讲师，专业特长为生命分析化学；张叶、俞晨秀、吴晟、陶文娟，安徽中医药高等专科学校（241000）。

1 绪论

微全分析系统(μ-TAS) 是将化学实验室的各项功能如样品预处理、进样、分离与检测等，集成到信用卡大小的芯片上，实现实验室的微型化。其通过各种技术在芯片上高效集成，使各个学科都可在微型化的研究平台上进行融合，同时可以大大缩短整个分析流程所需要的时间；也能将试剂的消耗降低到微升甚至纳升级，大大降低实验成本。这些优点为分析测试技术普及到户外、课堂、家庭创造了条件。它已经广泛应用于芯片毛细管电泳、材料合成、免疫分析、细胞操纵、蛋白质结晶研究等众多领域[1-4]，是分析科学研究的热点之一。

微芯片技术固然在科研方面取得了长足的进展，引起了人们的关注，但是这项技术应用在教研方面特别是实验教学方面的报道尚不多见。考虑到微芯片技术具有的低能耗、低成本、便携等特点，笔者认为该技术可以在化学实验教学方式、手段等方面带来新的突破，成为继微型化学实验后新的教学手段。

微型化学实验是20世纪80年代崛起，国际上公认的能体现绿色化学理念的化学实验的新技术和新方法。其具有节约药品、节省时间、减少实验的“三废”等优点，引起了国内外实验教学人员的普遍重视[5-7]。但是微型化装置一般来说还是需要有配套的水电等设施，无法真正带入课堂进行实验，同时仪器设备需要特制，因此价格上也较贵，无法实现教师乃至学生对反应装置的自我设计。

相对来说，微芯片技术具有下面一些优点。

1）其通过微加工技术，在平方厘米大小的玻璃或其他材料上加工出宽度为微米、长度为厘米级的管道网络，加工制作的成本极其低廉。如使用PDMS芯片加工技术，只要有合适的模版（可以是精密加工的硅板，也可以是玻璃刻蚀的模版，甚至是打印的模版），即可以1元人民币左右的成本不断复制和加工出所需要的微型器件，这就使得微型反应所需要的很大的一笔投入——微反应装置的成本大大降低。其设计可以在普通实验室甚至是家庭内完成，使得教师在进行教学的过程中可以自己设计加工相关的微型反应装置，甚至学生也可以在教师指导下进行芯片加工，设计和制备出自己想要的设备，引起他们的兴趣，培养他们的自主创新能力。

2）芯片制备的成本低廉，易于携带，且消耗的样品量少，产生的废物也少，需要清洗的次数少，可以在实验后集中统一清洗，如果是一次性使用的芯片则无需进行清洗，因此无需配套的水电设备，使其可被带入课堂，真正实现理实一体化教学。

3）微芯片技术功能强大，集成化程度高，有利于学生知识的融会贯通。如在进行生化实验的时候，就可以通过阵列微流控浓度梯度网络来配制溶液、培养细胞、进行给药与分析，实现无机、分析、生化、药化等实验内容的整合与融合。这样有助于培养学生在交叉学科领域进行协作创新，符合《高等学校创新能力提升计划》的要求。

众所周知，在化学实验教学中，学生实验需要消耗大量的试剂和玻璃仪器。近年来，由于化学试剂和玻璃仪器的价格不断上涨，化学实验所需经费越来越多，已经成为困扰高校的一个重要问题。另外，化学实验所用的试剂大都易燃、易爆、有毒，会对实验室的环境造成污染。如果通风条件不好，有毒气体排出不畅，会使学生和教师的健康受到危害。化学实验产生的废气、废液及废固排出后，对周边环境也会产生污染。在高职高专教学中强调理实一体化教学、任务驱动式教学等先进的教学方法，但是化学实验的这些特点使得常规的化学实验很难做到理实一体化教学，因为实验必须要使用特定仪器设备，要用到大量的试剂，需要专门的管理，需要进行设备的清洗才能进行下一步实验，这些都要求化学实验必须在实验室中分小班进行，无法进入教室，即使采用微型化实验也无法做到。微芯片法试剂消耗少意味着可以节约实验经费，且实验产生的废弃物也少，后续处理方便，微芯片化实验装置很小，可以将实验室搬到教室进行，无须小班教学，有利于实现理实一体化教学。甚至可以让学生参与到微芯片化实验装置的制备当中，让他们实现实验器材的DIY，提高他们的学习兴趣，为化学实验课程的教学与改革提供了一个非常理想的平台。

2 化学实验微芯片制备及其应用

用Illustrator软件设计图案，用打印机将图案打印在胶片上，形成模板；然后将聚二甲基硅氧烷（PDMS）前聚体浇注其上，在60 ℃下加热2小时后PDMS即可固化；揭下PDMS片，用打孔器在管道中央打孔，制备出微反应器2。在芯片上下方贴上2块薄PDMS片即完成整个芯片的制备，如图1所示。

上述芯片可用于分步沉淀课程教学中：将一定浓度的NaCl和K2CrO4混合溶液通过微通道1注入微反应器2中，通过注射器将AgNO3水溶液通过微通道3注射进2中，就可以观察到反应器中先生成白色的AgCl沉淀，继续加入AgNO3最后生成砖红色Ag2CrO4沉淀。

图1 分步沉淀微化学反应芯片的制备过程

图2 分步沉淀实验演示芯片

整个芯片的制备过程无需特殊装置，制备一片如图2所示的芯片的成本仅需约1元人民币，每个芯片进行1次实验所消耗的AgNO3等试剂的体积均在5 μL左右，是微乎其微的。而在常规实验中，由于仪器价格的限制，往往不能一人一套实验器材而必须一组（2～3人）共有，生均消耗AgNO3在0.5 mL左右。即常规实验中1个学生所消耗的试剂量就足够1个行政班级（100人）的学生进行一次微芯片法实验。由于芯片尺度小、重量轻、便于携带，使得该实验可以在进行理论课教学时随堂进行。在这些实验操作中，实验试剂基本上处于注射器与PDMS的封闭体系中，且用量极少，因此不会产生污染，在实验完成后微芯片可以回收进行清洗和重复利用。此外，芯片管道形状还可以自行设计，达到教师或学生自己设计实验装置的目的，提高他们的创新能力。总体来看，微芯片化的化学设备实验消耗少、污染少、成本低，是一种理想的新型实验教学手段。

3 结论

微芯片法具有鲜明的特点，发展微芯片化、口袋化学实验装置，可作为一种新的实验教育的手段解决无机、有机、分析等化学实验课程存在的试剂消耗多、三废处理能力弱、实验经费有限、难以实现理实一体化教学等问题，从器材、试剂消耗等各方面降低教学成本，实现绿色化学实验，其应用前景广阔，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]方肇伦,等.微流控分析芯片[M].北京:科学出版社,2003.

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

[5]周宁怀.微型无机化学实验[M].北京:科学出版社,2000.

[6]姚如富,方敏秀.中学化学实验与学生的环保意识[J].安徽教育学院学报,2002(6):100-101.

[7]刘长胜.对中学化学实验微型化策略的探究[J].中国教育技术装备,2011(17):119-120.

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