科研项目转化的“玻璃微喷嘴的制作及检测”实验设计

朱丽 狄长安

摘要：微流体器件的加工是微流控技术领域的一个研究热点，根据进行的科研工作以及实验教学的经验，将科研课题中具有创新性和教学可行性的内容植入实验教学中，设计了题为“玻璃微喷嘴的制作及检测”的创新性开放实验，以促进复合型创新人才培养。实验内容多学科交叉融合，涉及微喷嘴激光微加工及显微检测等内容。实践表明，通过这种科研和实验教学相融合的方案，使学生紧跟科技发展脚步，激发了学生的学习兴趣和探索潜能，锻炼了动手实践和创新能力。

关键词：微流控技术;玻璃微喷嘴;创新性实验;科学研究

中图分类号：G642.423     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）38-0265-03

一、引言

建设创新型国家的核心在于拥有大批创新型的人才，而高等学校作为人才培养的主体应积极思考如何全方位地培养创新型的人才[1-3]。微流控技术是近些年来发展起来的一项以微流体操控为核心的科学技术[4-6]，它把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测、细胞操控等基本操作单元集成或基本集成到芯片上，具有高效率、低成本、低消耗、易集成、高通量、高适用性等特点，已发展成为介观物理学、基因生物学、微机械学、微电子学、流体力学、分析化学、材料学、传热学以及光电学等多学科交叉的崭新研究领域，具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。

将科研成果融入实验教学环节将极大提高学生的创新思维能力，这是培养创新型人才的必要手段[7]。微流控的研究涉及基础器件的设计与制造、微流体实验和理论研究，侧重于宏微尺度效应和机、电、热、生化和其他领域的耦合理论，液体微喷射技术是微流控技术中的一个重要的应用方向。为了让学生了解多学科交叉研究前沿，并能综合运用所学理论知识解决实际工程问题，在大量教学和研究的基础上，将科研成果转化为创新性实践资源，设计了“玻璃微喷嘴的制作及检测”创新性实验项目，该项目涉及玻璃激光拉制加工、微喷嘴尺寸检测等方面，可以为微喷嘴的低成本、简单、快捷制备提供切实有效的方法，同时也为微流控技术在大学生创新实践中的应用提供借鉴和参考。

二、实验设计

在微流体喷射的实际应用中，微喷嘴的几何参数对其系统性能影响较大，甚至是决定性作用，所以本实验除了让学生学会玻璃微喷嘴的激光拉制以外还要掌握对微小尺寸的精确测量。

1.实验目的。本实验要求学生掌握玻璃激光拉制加工原理及方法，掌握显微镜测量微喷嘴尺寸方法。

2.实验原理。硼硅酸盐玻璃在温度达到800℃时，即可进行吹制，所以在此温度下可以拉制玻璃。对硼硅酸盐玻璃进行加热，主要有激光加热、火焰加热、电阻丝加热等方法。电阻丝加热和火焰加热的可控性相对于激光差。激光器加热迅速，可以精准控制加热温度等。本实验采用带有激光加热器的微电极拉制仪拉制玻璃微喷嘴。玻璃微喷嘴的拉制原理如圖1所示，玻璃毛细管装夹在水平可活动卡头之间，激光源将玻璃毛细管加热达到一定温度值后，玻璃黏度系数下降，玻璃毛细管软化成可流动的半熔融状态，当温度达到玻璃的塑性加工工艺温度时，用预设的速度和拉力沿轴向拉制玻璃毛细管，就可拉制成玻璃微喷嘴。

3.实验仪器及材料。SUTTER P-2000微电极拉制仪、数码显微镜MS2020USB、硼硅酸盐玻璃毛细管。

三、实验结果与拓展

1.实验结果。P-2000拉制仪主要包括5类参数的设置：（1）HEAT：加热量。通过设置HEAT改变激光器的输出功率，即可以改变玻璃管的加热温度。不同加热温度下的玻璃的黏度系数不同，拉制出的微喷嘴的尺寸不同。（2）FILAMENT：加热区域大小。改变加热区域大小可加热不同面积的毛细管。不同值适用于不同尺寸的玻璃毛细管。（3）VELOCITY：速度。指拉开两端玻璃的速度。不同值适用于不同尺寸的玻璃毛细管。（4）PULL：拉力。加热后（或加热时），拉力器根据设定的拉力值拉开两端玻璃管。不同拉力情况下，拉制出的微喷嘴的尺寸不同。（5）DELAY：延迟时间。延迟时间的设定作用在于加热结束多长时间后（前）将其拉开。不同延迟时间下，拉制出的微喷嘴的尺寸不同。

经过大量实验，在激光拉制微喷嘴过程中，主要考查了上述五个控制参数对微喷嘴拉制结果的影响。微喷嘴质量好坏主要取决于微操作过程，因此本实验非常注重考查学生的动手能力，重点培养学生进行微细操作时的耐心和熟练程度。

微喷嘴尺寸参数主要包括锥长及出口内径，利用数码显微镜完成尺寸测量。图2为不同尺寸微喷嘴的显微照片。学生经过实验总结出：增大加热量、拉力值、拉制速度均可增加微喷嘴的锥长、减小出口内径;而加热区域变大、延迟时间变短均增加微喷嘴的锥长，对出口内径影响不大。

2.教学效果及实验拓展。目前，本创新实验项目已经针对测控、机械等专业本科学生开展了开放实验课程，解决了传统实验中学生受专业、时间限制的问题。课程得到了学生的广泛认可，取得了很好的实验教学效果。做实验之前，指导老师对学生告知实验方法、目的及要求，但并没有给出具体的步骤;指导老师会适时督促，对实验中存在的问题进行启发、引导，使学生能够举一反三。通过实验，学生系统了解了微流控技术、微喷嘴的制备工艺及微小尺寸测量过程，让学生亲自参与科学研究实验，通过独立设计实验方案、实际动手操作、实验数据处理等多方面练习，在获得全面训练的过程中，培养理论联系实际能力，将所学理论知识运动到实践当中，大大调动了学生的主观能动性。

本创新实验教学在显示出其独特优势的同时，也出现了一些问题，主要是由于本实验平台是基于科研平台，台套数受限，因此一次开放学生数有限，开放实验的平台有待进一步建设，需要学校给予一定的支持，让更多学生从中受益。

与此同时，基于实验中关键知识的掌握，本实验内容可进一步拓展。教师可根据学生掌握的程度，把科研工作的新的内容及时补充到教学实验当中。比如学生对于微流控技术的应用非常感兴趣，学生在教师的启发下，自己查阅文献，可以自主加工不同尺寸的微喷嘴并应用于液滴微喷射、细胞微输送操作等领域。图3是学生利用自主设计加工的微喷嘴进行液滴微喷射打印、细胞数字化微输送的实验照片。在此基础上，学生可以围绕微流控技术申报国家、江苏省大学生创新性实验计划，或申请发明专利、发表高水平论文等。

四、结语

创新性实验是高等学校教育教学质量与教学改革工程的重要组成部分，对于培养学生的自主学习能力、团队协作能力和创新实践能力具有至关重要的作用。

将科研成果引入大学生创新实验中，有利于开拓学生的学科交叉研究视野，充分激发学生的学习兴趣和科学探索热情，显著提升学生的科研思维能力和创新实践能力，符合国家对复合型创新人才培养的要求。本文设计的实验项目涉及微喷嘴激光微加工及显微检测等内容，微喷嘴的制作方法具有工艺简单、操作方便、成本低、易于推广等优点。

在教学实践中，学生进行玻璃微喷嘴加工及检测，在实验准备、实验实施、实验总结几个环节中，学生认真查阅文献，动手实践，分析实验数据，撰写实验报告，实现了科研项目和创新实验项目的紧密结合，促進了对学生创新意识和探索精神的培养。

参考文献：

[1]任良玉，张吉维.本科创新人才培养的制度环境和文化环境：以“国家大学生创新性实验计划”实施为例[J].清华大学教育研究，2009，30（3）：108-113.

[2]张红光.开放实验室，培养大学生的创新精神和实践能力[J].实验技术与管理，2011，28（6）：16-19.

[3]杨国来，任杰，乔莉，等.军工专业研究生基础实验教学的探索——以研究生实验课《武器典型结构模态测试与分析实验》为例[J].教育教学论坛，2018，（22）：273-275.

[4]Manz A，Graber N，Widmer H M.Miniaturized total chemical analysis systems：a novel concept for chemical sensing[J].Sensors and actuators B：Chemical，1990，1（1）：244-248.

[5]林炳承.微流控芯片的研究及产业化[J].分析化学，2016，44（4）：491-499.

[6]杨利军，朱丽，陆宝春，章维一.基于微流体脉冲驱动控制技术的电化学微流控芯片制备方法[J].分析化学，2017，45（6）：922-930.

[7]成协设，刘薇，王立金.开展创新性实验教学实现理论到创新的有效对接[J].实验室科学，2011，14（1）：200-202.

Design of Experiment on "Manufacture of Glass Micro-nozzles and Geometric Measurement" Transformed by Scientific Research Projects

ZHU Li，DI Chang-an

（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210094，China）

Abstract：Fabrication of microfluidic devices is a research hotspot in microfluidics technology.Based on the experience of scientific research and experimental teaching，the innovative and feasible teaching content from scientific research projects is implanted into experimental teaching and a innovative open experiment entitled "Manufacture of glass micro - nozzles and geometric measurement" is designed to promote the compound innovative talents.The experimental content is interdisciplinary，involving the Micro nozzle laser processing and measurement.The practice shows that through the integration of scientific research with experimental teaching，the students can keep pace with the development of science and technology.The new experimental technology is beneficial for the students to inspire their learning interest and exploring potential，and to exercise their practical and innovative ability.

Key words：microfluidic technology;glass micro-nozzles;innovative experiment;scientific research