微流控技术在高等院校本科教学实验中的应用方向与路径

范一强 张亚军

摘 要：微流控技术起源于上世纪90年代末，目前已经在分析化学、生命科学、医学等领域得到了广泛应用，微流控技术已经逐渐成长为现场检测、即时检测、细胞/生物大分子等研究领域最为重要的研究工具。从微流控技术在高等院校中的实际应用情况看，绝大多数的应用场景仍处在科研实验室中，生物、化学、微电子、机械等相关学科本科阶段学生尚无机会接触和学习到微流控技术，在微流控技术广泛应用的大背景下，亟需将微流控及其相关技术融入本科生的教学实验中，对于拓宽学生的交叉学科视野具有重要作用。经过近二十年的发展，各类加工方法简单易行且成本低廉的微流控芯片相继出现，为将微流控技术引入本科阶段教学实验创造了基本条件。文章首先对微流控技术在国外高校本科教学实验中的应用情况进行了介绍，之后着重探讨了几种可能的将微流控技术应用于生物、化学、微电子等专业教学实验的方法与路径。

关键词：本科教育；教学实验；微流控技术

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）02-0084-03

Abstract： The origin of microfluidics can be dated back to late 90s， up to now， microfluidics has been widely used in analytical chemistry， life science and medicine， and microfluidics has become one of the most important tools in cell biology and molecular biology. In a review of the current applications of microfluidics in higher education， most of the cases were aimed at research in certain area， microfluidics has been rarely used in the teaching experiments for undergraduate students in biological， chemical， electrical and mechanical majors. The integration of microfluidics in teaching experiments is of great importance to broaden students' horizons. After 20 years' development， lots of low-cost protocols have been invented by various researchers， which could be used for the integration of microfluidics in teaching experiments for undergraduate students. In this study， a brief review was provided for the current integration of microfluidics in teaching experiments in foreign countries， then a detailed discussion was provided for the possible protocols of integrating microfluidics in undergraduate teaching experiments.

Keywords： undergraduate education； teaching experiment； microfluidics

一、概述

微流控技术起源于微机电系统（MEMS）中对微量流体进行操作的技术，后逐渐发展成为一门较为独立的学科体系，近十年来，微流控技术在生命科学、分析化学、医学等领域得到了广泛应用。微流控是一门机械、电子、生物、化学、医学等学科交叉融合的新兴学科，基于微流控技术的微流控检测芯片具有检测精度高、检测时间短、试剂消耗少、能耗低等显著优势。微流控技术的发展方兴未艾，未来必将在更为广泛的领域得到普遍应用。

从国内外高等院校在微流控相关教育的实施情况看，尽管国外部分高校开设了相关选修课程和在教学实验中融入了微流控技术，但是还远未普及到生物工程、医学、化学、电气工程、机械等本科阶段学生的实验教学中，不利于相关专业学生学术视野的开拓，也不利于毕业后的继续深造的知识储备需求。

从微流控技术的发展情况看，各类微流控芯片的加工技术相继出现，其中不乏加工过程简单易行、加工设备要求不高的基于聚合物、纸等低成本材料的微流控芯片加工技术，非常适合应用于化学、生物等专业本科生的教学实验中，将微流控技术与现有教学实验进行融合，有助于提高学生的学习兴趣和实验操作技能，也有助于拓展学生在微流控领域的知识贮备。本文首先对國外微流控技术与教学实验的融合情况进行了简单回顾，之后提出了几种将微流控技术应用于实验教学中的实施方法与路径。

二、国内外高校微流控相关教学实验教育开展情况

将微流控技术引入教学实验最早的尝试在2004年，哈佛大学的Ravgiala等研究者在面向高中科学课教师的暑期培训中，利用玻璃毛细管产生的液滴对细胞实现了单包裹，该项教学尝试中使用了玻璃毛细管等常见的实验材料和简单实验设备加工完成了具有实用功能的微流控芯片。

第一次将微流控技术系统性的引入教学实验的尝试开始于2010年，由美国国家科学基金资助在美国辛辛那提大学、伊利诺伊大学、犹他州立大学以及北卡罗莱纳州立大学五所高校的本科生教学实验中引入了微流控技术，在教师的指导下学生完成了一些简单的微流控芯片的数值仿真模拟、加工制作与测试。该项目的实施者认为这项在五所大学中的先导性的尝试是成功的，对于学生提高交叉学科的创新能力有重要意义[1]。

从2011年开始，几种基于低成本材料和加工方法的微流控芯片被逐步应用于本科教学中，这些方法普遍不需要昂贵的实验材料，可以借助一些常见的办公室、实验室设备，如激光打印机、蜡打印机[2]等完成微流控芯片的加工。比较有代表性的如Yang等人指导学生完成的基于果冻的微流控芯片[3]，以及Nguyen等研究者制备的用于教学实验的基于热缩片的微流控芯片[4]等。

近年来，在微流控技术引入教学实验的过程中，不同的研究者都指出[5，6]，模块化的微流控系统是未来发展的一个重要方向。通过模块化的微流控系统，利用已经制备完成的标准化芯片模块，学生可以跳过芯片制备过程，直接根据实验需求选择、组装完成适用于实验要求的微流控系统，大幅提高实验效率。图1展示了一种基于乐高玩具模块化概念的微流控芯片系统[7]。目前国外已经初步形成了模块化微流控芯片生产加工体系，比较有代表性的公司有Micronit，Dolomite，Ch

ipshop等。

三、微流控技术应用于教学实验的方法与路径

将微流控技术应用于高校本科教学实验中，主要面临两方面的技术难题，主要体现在流体的流动的数值模拟仿真以及微流控芯片的加工技術这两方面。伴随微流控技术的发展，这两方面的技术难题不断被研究者从各个不同方向所突破，已经基本达到了引入本科教学实验的条件。

从微流控技术的数值模拟方向看，目前各高校理工科教育的本科阶段普遍设置了有限元法相关的课程[8]以及流体力学基础课程[9]，在这两门课程知识积累的基础上，通过目前已经商业化应用的各类有限元分析软件，本科阶段的学生也可实现一些简单的微流体流动情况的数值模拟仿真分析。在微流控的数值分析方面，以COMSOL为代表的一些成熟的商业化软件已经具有了专门的微流控数值模拟仿真模块[10]，学生可以通过图形化的编程方法实现建模、边界条件设定、网格划分、计算等过程，实现简单的流体流动、混合、液滴产生等的模拟分析，为后续微流控芯片的加工和设计奠定基础。如图2展示的是用于加速流体混合的微流控芯片的COMSOL数值模拟。

从微流控技术的加工方法看，在微流控技术出现的早期，由于其加工制备技术直接继承于微机电系统技术，往往需要使用各类昂贵的微加工设备（光刻、化学沉积、金属溅射等）在硅片、玻璃等材料基体上制备完成微流控芯片，成本非常高昂，难以应用在教学实验中。近年来各类基于聚合物、纸等材料的低成本微流控芯片加工技术相继出现，很大程度上降低了微流控芯片的加工成本，创造了微流控芯片进入本科教学实验的有利条件。

从目前微流控芯片加工技术的发展情况看，以下几种加工方法不仅成本低廉，且加工方法简单，加工精度也能满足教学实验的要求：

1. 基于聚合物材料的二氧化碳激光烧蚀技术：二氧化碳激光是各类激光器中成本最为低廉的一种，在工业中具有较为广泛的应用，一般桌面型的二氧化碳激光器价格不超过万元。利用二氧化碳激光在聚合物材料上烧蚀加工微结构，不仅速度快、成本低廉，且流道结构通过软件进行设计，可以加工较为复杂的微流控芯片；

2. 纸基微流控芯片：利用实验室常见的滤纸，在其表面加工具有疏水结构的围堰，形成微流控芯片。常见的疏水结构可以由丝网印刷，蜡打印方法等加工完成，成本非常低廉，应用于教学实验中，适用于观察具有显色反应的实验过程；

3. 基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）的微流控芯片，此类芯片的加工由PDMS倒模形成，其加工精度依赖于模具的加工精度，具体实施过程中可以利用各种实验室现有设备制作基于金属、塑料等材质的模具，用于PDMS芯片倒模。图3展示了基于PDMS材料的微流控芯片；

4. 机械加工方法：利用数控铣床甚至手动刻画的方法在聚合物等材质上加工出微结构（微通道），适用于精度要求不高且不具有其他加工条件的场合，开展融合微流控芯片的教学实验。

表1总结和比较了上述四种适用于本科教学实验中应用的微流控芯片加工方法，主要从材料成本、设备成本、键合方法、适用场合等方面进行了比较，具体实施过程中可以根据需要进行灵活选择。

四、结束语

本文讨论了将微流控技术融入本科教学实验中的可行性，以及方法与路径。首先回顾了近年来国外本科教学实验中融入微流控技术的尝试与发展情况，之后对微流控技术融入化学、生物、电子、机械等本科专业教学实验中的可能方法与路径进行了讨论，提出了几种低成本微流控芯片加工技术融入本科专业教学实验中的方法，最后对这几种方法的优缺点进行了比较。

微流控技术的发展方兴未艾，已经成为分析化学、生命科学等学科研究的重要技术手段，将微流控技术的教育纳入到相关专业本科实验教学过程中是大势所趋，对于提高学生的交叉学科创新能力和相关知识储备起到了重要的推动作用。

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