許亮亮 朱征 陳懿 吳可威

摘要：芯片實驗室是生化領(lǐng)域的重大突破性技術(shù)之一，具有試劑用量少、分析時間短、分離效率高、質(zhì)量輕、體積小、便于攜帶等優(yōu)點。綜述了芯片實驗室技術(shù)的研究進(jìn)展，并重點介紹了該技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：芯片實驗室；微流控芯片；聚二甲基硅氧烷（PDMS）；化學(xué)實驗教學(xué)；教學(xué)應(yīng)用

文章編號：1005–6629（2016）6–0079–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

微型化、集成化、便攜化和自動化已成為當(dāng)今科學(xué)發(fā)展的主流趨勢。是否想象過將實驗室里的試管、燒杯、培養(yǎng)皿、試劑等各種實驗用品統(tǒng)統(tǒng)微縮到一張芯片上，掛在鑰匙扣上隨時備用呢？用于微量液體的操控、反應(yīng)和分析的芯片實驗室（labon-a-chip）就是在這樣的背景下應(yīng)運而生的。芯片實驗室又稱微流控芯片（microfluidic chip），是將生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的稀釋、采樣、反應(yīng)、分離和檢測等操作集成在一塊幾平方厘米的芯片上，在微米級通道中控制反應(yīng)流體，用以完成常規(guī)生化實驗室各種功能的一種技術(shù)[1]，見圖1。

2002年S. Quake等[2]在Science上報道了集成上千個微閥微泵和上百個微反應(yīng)室的微流控芯片，實現(xiàn)了芯片從簡單控制到大規(guī)模、高密度集成的飛躍。2006年7月Nature雜志發(fā)表了一期題為“芯片實驗室”的專輯，從不同角度闡述了微流控芯片的研究歷史、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。近年來微流控芯片的研究熱點正逐步轉(zhuǎn)向構(gòu)建各種不同類型的芯片實驗室。哈佛大學(xué)的G. M. Whitesides等[3]更提出了以仿生體系的系統(tǒng)研究為基本目標(biāo)的微流控芯片仿生實驗室。

芯片實驗室技術(shù)試劑用量少、液體流動可控、反應(yīng)時間短、分析速度快、高通量、集成化、成本低、污染小，具有常規(guī)反應(yīng)檢測手段無法比擬的顯著優(yōu)點。目前，芯片實驗室已廣泛應(yīng)用于包括醫(yī)學(xué)診斷、藥物篩選、環(huán)境檢測、食品安全等在內(nèi)的科學(xué)研究和生產(chǎn)生活領(lǐng)域。正是因為以上的優(yōu)點和在實際中的應(yīng)用，國外許多大學(xué)和中學(xué)都開始將芯片實驗室技術(shù)引入學(xué)生的創(chuàng)新實驗中。本文將具體介紹引入該實驗技術(shù)取得的良好的教學(xué)效果。

1 芯片實驗室技術(shù)

1.1 芯片實驗室常用材料和性能

目前常用于制作微流控芯片的材料大致有單晶硅片、石英玻璃、有機聚合物和紙質(zhì)等[4]。硅片、石英玻璃由于蝕刻工藝難度大、造價高等原因，逐漸被有機聚合物代替。有機聚合物種類多、價格低、易于加工成型，已逐漸成為制作微流控芯片的首選材料，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彈性和透光性好、生物相容性好、表面可進(jìn)行多種化學(xué)處理、可低溫聚合、制作周期短、易加工、成本低，已成為目前制作芯片最常用的聚合物材料。

近年來出現(xiàn)的新技術(shù)——紙質(zhì)微流控芯片（paper-based microfluidics），簡稱紙芯片，是以濾紙、層析紙及硝酸纖維素膜等作為芯片材料和生化分析平臺的一種微流控芯片。紙芯片可集成多種生化反應(yīng)、物質(zhì)合成、分離檢測等操作。紙芯片的顯著特點是制作方法簡單、體積小、成本低、試劑消耗少、分析速度快、無需外界驅(qū)動力等。

1.2 芯片實驗室制作工藝

微加工技術(shù)是微流控芯片制作的前提條件。硅片、玻璃、石英等材料多采用紫外光刻工藝制作微通道。但這種工藝存在光刻掩膜制作成本高、制作模具需用專業(yè)儀器、使用的化學(xué)試劑污染環(huán)境等缺點。有機聚合物芯片制作技術(shù)主要包括熱壓法、模塑法、激光燒蝕法、LIGA法和軟蝕刻法等。哈佛大學(xué)G. M. Whitesides課題組[5]開發(fā)的PDMS軟蝕刻工藝首先用CAD等制圖軟件設(shè)計芯片微通道，用高分辨率打印機制得光刻掩膜。將光刻掩膜轉(zhuǎn)移到涂有SU-8負(fù)性光膠的硅片上并曝光，曝光后用顯影液將未曝光部分洗去，留下的圖形即為芯片復(fù)制用陽模。將PDMS預(yù)聚體和固化劑混合傾倒在陽模上，60℃烘烤后固化形成所需通道，用刀將PDMS芯片切下，在需要的位置上打孔，并進(jìn)行封接，見圖2。該工藝簡單易行，對實驗室條件要求不高，一次制成的模板可重復(fù)使用，是生產(chǎn)大量廉價芯片的好方法。軟蝕刻工藝和PDMS材料的大規(guī)模使用已成為微流控芯片發(fā)展史上的一個重要里程碑。

紙芯片的制作工藝通常有噴蠟打印法、繪圖法和浸蠟法等。林炳承等[6]提出的噴蠟打印法包括打印和烘烤兩部分，操作簡便，十分鐘內(nèi)即可完成，無需專業(yè)訓(xùn)練和復(fù)雜實驗器材，已成為當(dāng)前采用最多的紙芯片制作方式之一。

2 芯片實驗室在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

芯片實驗室成本低、體積小、速度快、易于實現(xiàn)集成和高通量，經(jīng)過短短二十年的發(fā)展，微流控芯片已經(jīng)發(fā)展成為應(yīng)用于臨床診斷、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測、食品檢驗等諸多領(lǐng)域的工具平臺。Nagrath等[7]利用微流控芯片從未經(jīng)任何處理的全血中分離出循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC），并成功從117例患有前列腺癌、乳腺癌等患者中檢測出了116例CTC，檢出率高達(dá)99%。南京大學(xué)鞠熀先等[8]用簡易價廉的方法設(shè)計一種一次性PDMS微流控芯片，以8種違禁藥物作為模型，成功地篩選出人尿中的違禁藥物。熊開生等[9]利用集成電導(dǎo)檢測微流控化學(xué)芯片測定了土壤中鐵總含量。郭紅斌等[10]利用反應(yīng)產(chǎn)物對光的吸收原理制作出一種用于檢測有機磷農(nóng)藥的聚二甲基硅氧烷微流控傳感器，對不同濃度的有機磷農(nóng)藥均具有良好響應(yīng)。

3 芯片實驗室在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

芯片實驗室作為化學(xué)合成、分離篩選、集成仿生等多領(lǐng)域的綜合性工具平臺，在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有巨大的研究潛力。能否在中學(xué)創(chuàng)新實驗教學(xué)中引入芯片實驗室的設(shè)計理念和制作方法呢？光刻、熱壓、激光燒蝕等芯片制作方法雖然快捷精確，但由于中學(xué)實驗條件和中學(xué)生認(rèn)知水平所限，很難進(jìn)行相關(guān)實驗。通過查閱文獻(xiàn)[11]采用可打印的聚苯乙烯熱縮片可快捷制備PDMS微流控芯片，該實驗所需時間短、耗材便宜易得，很適合作為中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實驗。

3.1 實驗藥品和儀器

Sylgard184型PDMS預(yù)聚體及固化劑套裝（淘寶網(wǎng)上購買）、可打印的聚苯乙烯熱縮片（淘寶網(wǎng)上購買）、裝有Microsoft Office Power Point或其他繪圖軟件的電腦、激光打印機、真空干燥器、真空泵、烘箱、剪刀、醫(yī)用手術(shù)刀（刀片亦可）、鑷子、燒杯、玻璃棒、培養(yǎng)皿（90mm）、玻璃板、雙面膠（寬的最理想）、載玻片、穿孔器（直徑1mm）

3.2 實驗過程

3.2.1 制作芯片陽模

使用Microsoft Office Power Point或其他繪圖軟件給芯片設(shè)計通道圖，用激光打印機將圖形打印在聚苯乙烯片上，剪下圖形，放入烘箱，60℃烘烤30s，聚苯乙烯片會收縮至原來的1/3，表面的圖形會形成微米級的凸起，用鑷子取出，并立即用玻璃板壓平，冷卻20s后用雙面膠將收縮后的聚苯乙烯片貼在培養(yǎng)皿底部，即制得芯片所需陽模，見圖3、圖4。

3.2.2 制作PDMS芯片實驗室

在燒杯中將PDMS預(yù)聚物與固化劑以10：1混合，用玻璃棒攪拌均勻，放入真空干燥箱（接真空泵），脫氣20分鐘后倒入培養(yǎng)皿中覆蓋芯片陽模，再放入真空干燥箱脫氣1h左右。直至氣泡全部逸出后，將培養(yǎng)皿放入烘箱，60℃烘烤。5h后取出培養(yǎng)皿，冷卻后用手術(shù)刀沿著模板邊緣切割芯片，并將芯片從模板上慢慢揭下，用穿孔器在進(jìn)樣口和出樣口處打孔。在載玻片上貼上一條可覆蓋芯片底部的雙面膠，將制得的芯片小心地貼到載玻片上，均勻輕壓除去二者之間的氣泡，即制得PDMS芯片實驗室，見圖5、圖6。

3.2.3 探究微流控芯片中微尺度下的流體特征

由于微流控芯片上的通道為微米級，微米尺度下流體運動時有與一般宏觀尺度的流體運動不同的地方。當(dāng)兩股或多股流體匯合于同一微通道內(nèi)時，它們傾向于并排前進(jìn)，即出現(xiàn)所謂的層流現(xiàn)象[12]。筆者指導(dǎo)學(xué)生嘗試將紫色的高錳酸鉀溶液和蒸餾水分別滴于Y型芯片的進(jìn)料口，在出料口用注射器輕輕吸動，可觀察到明顯的層流現(xiàn)象，見圖7、圖8。

3.3 實驗反思

國外許多中學(xué)一直致力于向中學(xué)生介紹前沿科學(xué)的工作，我國在這方面的工作則相對滯后[13]。通過開發(fā)與前沿科學(xué)相關(guān)的創(chuàng)新實驗，讓學(xué)生置身于前沿科學(xué)環(huán)境中，既能點燃學(xué)生對科研的興趣，擴展他們的眼界，又能提高學(xué)生對未來高科技實驗環(huán)境的適應(yīng)力。芯片實驗室以其獨特的教學(xué)特點，可讓學(xué)生熟練掌握微流控芯片的設(shè)計、選材和制作，真正使學(xué)生有機會感受到前沿科技的獨特魅力，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和學(xué)習(xí)方法發(fā)生全面而深刻的轉(zhuǎn)變，真正提升學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新能力。整個實驗所需儀器都為中學(xué)實驗室常見儀器，藥品便宜易得，對人體無毒無害，操作雖然復(fù)雜、要求精細(xì)，但完全符合中學(xué)生認(rèn)知水平，學(xué)生力所能及。筆者也將繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生，利用制得的芯片實驗室開展無機、有機等多種反應(yīng)，期待取得更好的教育教學(xué)成果。

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