芯片实验室及其在化学实验教学中的应用

许亮亮 朱征 陈懿 吴可威

摘要：芯片实验室是生化领域的重大突破性技术之一，具有试剂用量少、分析时间短、分离效率高、质量轻、体积小、便于携带等优点。综述了芯片实验室技术的研究进展，并重点介绍了该技术在化学实验教学中的应用。

关键词：芯片实验室；微流控芯片；聚二甲基硅氧烷（PDMS）；化学实验教学；教学应用

文章编号：1005–6629（2016）6–0079–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

微型化、集成化、便携化和自动化已成为当今科学发展的主流趋势。是否想象过将实验室里的试管、烧杯、培养皿、试剂等各种实验用品统统微缩到一张芯片上，挂在钥匙扣上随时备用呢？用于微量液体的操控、反应和分析的芯片实验室（labon-a-chip）就是在这样的背景下应运而生的。芯片实验室又称微流控芯片（microfluidic chip），是将生物、化学、医学等领域中所涉及的稀释、采样、反应、分离和检测等操作集成在一块几平方厘米的芯片上，在微米级通道中控制反应流体，用以完成常规生化实验室各种功能的一种技术[1]，见图1。

2002年S. Quake等[2]在Science上报道了集成上千个微阀微泵和上百个微反应室的微流控芯片，实现了芯片从简单控制到大规模、高密度集成的飞跃。2006年7月Nature杂志发表了一期题为“芯片实验室”的专辑，从不同角度阐述了微流控芯片的研究历史、发展现状和应用前景。近年来微流控芯片的研究热点正逐步转向构建各种不同类型的芯片实验室。哈佛大学的G. M. Whitesides等[3]更提出了以仿生体系的系统研究为基本目标的微流控芯片仿生实验室。

芯片实验室技术试剂用量少、液体流动可控、反应时间短、分析速度快、高通量、集成化、成本低、污染小，具有常规反应检测手段无法比拟的显著优点。目前，芯片实验室已广泛应用于包括医学诊断、药物筛选、环境检测、食品安全等在内的科学研究和生产生活领域。正是因为以上的优点和在实际中的应用，国外许多大学和中学都开始将芯片实验室技术引入学生的创新实验中。本文将具体介绍引入该实验技术取得的良好的教学效果。

1 芯片实验室技术

1.1 芯片实验室常用材料和性能

目前常用于制作微流控芯片的材料大致有单晶硅片、石英玻璃、有机聚合物和纸质等[4]。硅片、石英玻璃由于蚀刻工艺难度大、造价高等原因，逐渐被有机聚合物代替。有机聚合物种类多、价格低、易于加工成型，已逐渐成为制作微流控芯片的首选材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）等。PDMS弹性和透光性好、生物相容性好、表面可进行多种化学处理、可低温聚合、制作周期短、易加工、成本低，已成为目前制作芯片最常用的聚合物材料。

近年来出现的新技术——纸质微流控芯片（paper-based microfluidics），简称纸芯片，是以滤纸、层析纸及硝酸纤维素膜等作为芯片材料和生化分析平台的一种微流控芯片。纸芯片可集成多种生化反应、物质合成、分离检测等操作。纸芯片的显著特点是制作方法简单、体积小、成本低、试剂消耗少、分析速度快、无需外界驱动力等。

1.2 芯片实验室制作工艺

微加工技术是微流控芯片制作的前提条件。硅片、玻璃、石英等材料多采用紫外光刻工艺制作微通道。但这种工艺存在光刻掩膜制作成本高、制作模具需用专业仪器、使用的化学试剂污染环境等缺点。有机聚合物芯片制作技术主要包括热压法、模塑法、激光烧蚀法、LIGA法和软蚀刻法等。哈佛大学G. M. Whitesides课题组[5]开发的PDMS软蚀刻工艺首先用CAD等制图软件设计芯片微通道，用高分辨率打印机制得光刻掩膜。将光刻掩膜转移到涂有SU-8负性光胶的硅片上并曝光，曝光后用显影液将未曝光部分洗去，留下的图形即为芯片复制用阳模。将PDMS预聚体和固化剂混合倾倒在阳模上，60℃烘烤后固化形成所需通道，用刀将PDMS芯片切下，在需要的位置上打孔，并进行封接，见图2。该工艺简单易行，对实验室条件要求不高，一次制成的模板可重复使用，是生产大量廉价芯片的好方法。软蚀刻工艺和PDMS材料的大规模使用已成为微流控芯片发展史上的一个重要里程碑。

纸芯片的制作工艺通常有喷蜡打印法、绘图法和浸蜡法等。林炳承等[6]提出的喷蜡打印法包括打印和烘烤两部分，操作简便，十分钟内即可完成，无需专业训练和复杂实验器材，已成为当前采用最多的纸芯片制作方式之一。

2 芯片实验室在生产生活中的应用

芯片实验室成本低、体积小、速度快、易于实现集成和高通量，经过短短二十年的发展，微流控芯片已经发展成为应用于临床诊断、药物筛选、环境监测、食品检验等诸多领域的工具平台。Nagrath等[7]利用微流控芯片从未经任何处理的全血中分离出循环肿瘤细胞（CTC），并成功从117例患有前列腺癌、乳腺癌等患者中检测出了116例CTC，检出率高达99%。南京大学鞠熀先等[8]用简易价廉的方法设计一种一次性PDMS微流控芯片，以8种违禁药物作为模型，成功地筛选出人尿中的违禁药物。熊开生等[9]利用集成电导检测微流控化学芯片测定了土壤中铁总含量。郭红斌等[10]利用反应产物对光的吸收原理制作出一种用于检测有机磷农药的聚二甲基硅氧烷微流控传感器，对不同浓度的有机磷农药均具有良好响应。

3 芯片实验室在化学实验教学中的应用

芯片实验室作为化学合成、分离筛选、集成仿生等多领域的综合性工具平台，在化学、生物、医学等领域有巨大的研究潜力。能否在中学创新实验教学中引入芯片实验室的设计理念和制作方法呢？光刻、热压、激光烧蚀等芯片制作方法虽然快捷精确，但由于中学实验条件和中学生认知水平所限，很难进行相关实验。通过查阅文献[11]采用可打印的聚苯乙烯热缩片可快捷制备PDMS微流控芯片，该实验所需时间短、耗材便宜易得，很适合作为中学化学创新实验。

3.1 实验药品和仪器

Sylgard184型PDMS预聚体及固化剂套装（淘宝网上购买）、可打印的聚苯乙烯热缩片（淘宝网上购买）、装有Microsoft Office Power Point或其他绘图软件的电脑、激光打印机、真空干燥器、真空泵、烘箱、剪刀、医用手术刀（刀片亦可）、镊子、烧杯、玻璃棒、培养皿（90mm）、玻璃板、双面胶（宽的最理想）、载玻片、穿孔器（直径1mm）

3.2 实验过程

3.2.1 制作芯片阳模

使用Microsoft Office Power Point或其他绘图软件给芯片设计通道图，用激光打印机将图形打印在聚苯乙烯片上，剪下图形，放入烘箱，60℃烘烤30s，聚苯乙烯片会收缩至原来的1/3，表面的图形会形成微米级的凸起，用镊子取出，并立即用玻璃板压平，冷却20s后用双面胶将收缩后的聚苯乙烯片贴在培养皿底部，即制得芯片所需阳模，见图3、图4。

3.2.2 制作PDMS芯片实验室

在烧杯中将PDMS预聚物与固化剂以10：1混合，用玻璃棒搅拌均匀，放入真空干燥箱（接真空泵），脱气20分钟后倒入培养皿中覆盖芯片阳模，再放入真空干燥箱脱气1h左右。直至气泡全部逸出后，将培养皿放入烘箱，60℃烘烤。5h后取出培养皿，冷却后用手术刀沿着模板边缘切割芯片，并将芯片从模板上慢慢揭下，用穿孔器在进样口和出样口处打孔。在载玻片上贴上一条可覆盖芯片底部的双面胶，将制得的芯片小心地贴到载玻片上，均匀轻压除去二者之间的气泡，即制得PDMS芯片实验室，见图5、图6。

3.2.3 探究微流控芯片中微尺度下的流体特征

由于微流控芯片上的通道为微米级，微米尺度下流体运动时有与一般宏观尺度的流体运动不同的地方。当两股或多股流体汇合于同一微通道内时，它们倾向于并排前进，即出现所谓的层流现象[12]。笔者指导学生尝试将紫色的高锰酸钾溶液和蒸馏水分别滴于Y型芯片的进料口，在出料口用注射器轻轻吸动，可观察到明显的层流现象，见图7、图8。

3.3 实验反思

国外许多中学一直致力于向中学生介绍前沿科学的工作，我国在这方面的工作则相对滞后[13]。通过开发与前沿科学相关的创新实验，让学生置身于前沿科学环境中，既能点燃学生对科研的兴趣，扩展他们的眼界，又能提高学生对未来高科技实验环境的适应力。芯片实验室以其独特的教学特点，可让学生熟练掌握微流控芯片的设计、选材和制作，真正使学生有机会感受到前沿科技的独特魅力，促进学生的科学态度和学习方法发生全面而深刻的转变，真正提升学生的科学创新能力。整个实验所需仪器都为中学实验室常见仪器，药品便宜易得，对人体无毒无害，操作虽然复杂、要求精细，但完全符合中学生认知水平，学生力所能及。笔者也将继续启发学生，利用制得的芯片实验室开展无机、有机等多种反应，期待取得更好的教育教学成果。

参考文献：

[1]林炳承，秦建华.微流控芯片实验室[J].色谱，2005，（9）：456～463.

[2] Thorsen T， Maerkl S J， Quake S R. Microfluidic Large-Scale Integration. Science， 2002， 298： 580～584.

[3] Whitesides G M. What comes next. Lab Chip， 2011， 11（2）： 191～193.

[4]林炳承.微纳流控芯片实验室[M].北京：北京科学出版社，2013：7～55.

[5] Mcdonald J C， Duffy D C， Anderson J R， et al. Fabrication of Microfluidic Systems in Poly Dimethylsiloxane. Electrophoresis， 2000， 21（1）： 27～40.

[6] Lu Y， Shi W W， Jiang L， et al. Rapid Prototyping of Paper-based Microfludics with Wax for Low-cost， Portable Bioassay. Electrophoresis， 2009， 30（9）： 1497～1500.

[7] Nagrath S， SequistL V， Maheswaran S， et al. Isolation of Rare Circulating Tumour Cells in Cancer Patients by Microchip Technology. Nature， 2007， 450： 1235～1241.

[8] Qiang W， Zhai C ， Lei J， et al. Disposable Microfludic Device with Ultraviolet Detection for Highly Resolved Screening of Illicit Drugs. Analyst， 2009， 134： 1834～1839.

[9]熊开生，许永莉，冯裕钊等.集成电导检测微流控化学芯片测定土壤中铁总含量[J].后勤工程学院学报，2008，24（1）：79～89.

[10]郭红斌，陈国平，兰文升，陆冰睿，刘冉.一种用于有机磷农药检测的微流控传感器[J].传感器与微系统，2011，30（6）：84～86.

[11] Hemling M， Crooks J A， Oliver P M， et al. Microfludics for High School Chemistry Students. Journal of Chemical Education， 2014， 91（1）： 112～115.

[12] Matthew C Chia， Christina M Sweeney. Chemis-try in Microfludic Channels. Journal of Chemical Education， 2011， 88（4）： 461～464.

[13] 朱民，林茂.化学振荡实验——将前沿科学引入课外活动[J].化学教学，1999，（1）：49～50.