三种溶液分散系微芯片教学器件的制作*

张 叶，吴 剑，刘新镇，高 焕

（安徽中医药高等专科学校，安徽芜湖 241000）

技术方法

三种溶液分散系微芯片教学器件的制作*

张 叶，吴 剑，刘新镇，高 焕

（安徽中医药高等专科学校，安徽芜湖 241000）

微芯片教学器件；三种溶液分散系；无机化学

微芯片加工技术可将化学实验室里的烧杯、吸管、加热器、化学药品等压缩到一张便携的微芯片上，实现化学实验设备的便携化，是目前科研领域的研究热点[1-4]。虽然微芯片技术在科研方面取得了长足进展且引起了研究者们的关注，但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，有研究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。微型化学实验具有节约药品、节省时间、减少实验“三废”等优点，已经得到了国内外实验教学人员的普遍重视[5-7]。但微型化装置需要配套的水电等设施，无法真正进行课堂实验，同时仪器设备需要特制，价格上也较昂贵。本课题组将微型化学实验和微流控芯片两个概念结合在一起，利用打印模板法制备了微芯片化的教学用芯片[8]。该方法制备的教学芯片较为方便快速，且成本低廉，在此基础上，本课题组进一步研究发展了可以用于区分三种溶液分散系的微芯片教学器件，报告如下。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器 聚二甲基硅氧烷（PDMS）(Midland,MI,美国)，透明环氧树脂水晶胶（绿循化工商行，江苏，昆山），其它试剂，除特别标明外均为分析纯。所有试剂均用18MΩ /cm的Millipore水配制。

1.2 教学芯片的制作 根据水晶硬胶、硅橡胶、橡皮泥等可以相互拷贝表面形貌的特点，先以橡皮泥为模板制作模型，然后将水晶胶按照A组分：B组分=2.5：1的比例浇筑在模型上，待水晶胶成型后剥离水晶胶获得如附图所示的水晶胶芯片。其中1、2、3三个为储液槽，其中可分别放置溶液（如氯化钠溶液）、胶体溶液（如蛋白溶液）、悬浊液（如牛奶），集成在芯片上的电池6驱动LED灯泡5发出的光，经过分别通入三个槽体中的光纤4进入三个槽中，在溶液槽中光线直接通过，没有明显现象，胶体溶液槽中光线会发生丁达尔现象，可以看到明显的光路，而在悬浊液槽中光线无法通过，从芯片的上端可观察到上述光线在通过三个储液槽时所发生的现象，从而区分三种分散系。也可以用橡皮泥为模板制作模型，用PDMS硅橡胶制作相关芯片，虽然价格较为昂贵但透明度好，便于观察实验现象，同时方便密封。

1.3 教学微芯片的应用 准备一个培养皿，将PDMS按照单体：固化剂=10:0.6的比例混合均匀，静置，排除气泡，置60℃烘箱中1小时，固化备用。将附图中的芯片放置在制备的PDMS片上，由于所采用PDMS片的固化剂比例较低，因此该PDMS片较软，可以方便地粘附在附图中水晶胶芯片底部，密封芯片的下端形成储液槽。将制备的三种不同的分散系（0.1mol/L的NaCl溶液、鸡蛋清溶液、牛奶）分别从水晶胶芯片上端的开口处注入三个储液槽中，通电，从芯片各方向观察三个储液槽中的现象，讨论相关现象产生的原因。通过该操作，学生可以很好地理解这三种分散系对光的影响情况：⑴溶液槽中光线直接通过，无散射无反射现象。因为溶液中颗粒的直径很小（＜1nm），对光线不产生作用，因此在芯片上下端观察该槽内无明显现象，说明没有散射，在芯片储液槽前端观察可看到光纤发出的光，说明光线通过了溶液槽。⑵胶体槽中光线产生丁达尔现象，既光线发生了散射现象。原因是胶体溶液中的颗粒直径为1-100nm，恰好可以使光线发生散射，因此从芯片上下端观察该槽可以看到明显的光路，同时在芯片储液槽前端也可以看到光纤发出的光，但弱于溶液槽中光纤发出的光。⑶悬浊液槽中光线无法通过，因为悬浊液颗粒的直径＞100nm，光线在其中发生反射，因此从芯片上下端观察不到明显现象，同时在芯片储液槽前端看不到光纤发出的光。

附图 三种分散系区分芯片（1-3：储液槽，4：光纤，5：LED灯泡，6：电池）

通过该芯片可以方便地让学生理解，三种分散系因为其中颗粒直径的不同对光产生的不同影响。芯片制作成本低廉，无需配套水电，便携性好，因此可以方便地带入课堂，在课堂上一边让同学动手操作、观察实验现象，一边讲解相关的理论知识内容，从而实现理实一体化教学。

2 小结

本研究通过使用橡皮泥、水晶胶、PDMS胶等简易设备，制备了三种溶液分散系的微芯片教学器件，该芯片尺寸小、便携性好，制作成本低廉，可在课堂上进行理实一体化化教学，方便学生理解教学内容，是一款成功的便携式教学微芯片，可为无机化学教学增加新的有效手段。

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

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

[3]方肇伦，殷学锋，方群，等.微流控分析芯片[M].北京：科学出版社，2003.1-12.

[4]Wu J,Bai HJ,Zhang XB,et al.Thermal/plasma-driven reversible wettability switching of a bare gold film on a poly(dimethylsiloxane) surface by electroless plating[J].Langmuir,2010,26 (2):1191-1198.

[5]周宁怀.微型无机化学实验[M].北京：科学出版社,2000.1-8.

[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，2002,20(6)：100-101.

[7]曾红,丁慧萍.微型化学实验在基础化学实验教学中的研究[J].广州化学,2016,41(3):73-76.

[8]秦亚东，赵宝林，黄丽萍，等.基于中药产业链视角下高职院校中药专业人才培养的思考[J].现代中药研究与实践，2016，30(2)：74-75,78.

(技术方法栏目编辑：张 健)

O6-3

A

1004-6879（2017）03-0233-03

2016-12-01）

* 安徽省省级精品课程（2013gkk016），2014年高校优秀青年人才支持计划（皖教秘人[2014]181号）