三種溶液分散系微芯片教學(xué)器件的制作*

張 葉，吳 劍，劉新鎮(zhèn)，高 煥

（安徽中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，安徽蕪湖 241000）

技術(shù)方法

三種溶液分散系微芯片教學(xué)器件的制作*

張 葉，吳 劍，劉新鎮(zhèn)，高 煥

（安徽中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，安徽蕪湖 241000）

微芯片教學(xué)器件；三種溶液分散系；無(wú)機(jī)化學(xué)

微芯片加工技術(shù)可將化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的燒杯、吸管、加熱器、化學(xué)藥品等壓縮到一張便攜的微芯片上，實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的便攜化，是目前科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-4]。雖然微芯片技術(shù)在科研方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展且引起了研究者們的關(guān)注，但這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在教研方面，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的報(bào)道尚不多見(jiàn)?？紤]到微芯片技術(shù)具有的低能耗、低成本、便攜等特點(diǎn)，有研究者認(rèn)為該技術(shù)可以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、手段等方面帶來(lái)新的突破，成為繼微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)后新的教學(xué)手段。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有節(jié)約藥品、節(jié)省時(shí)間、減少實(shí)驗(yàn)“三廢”等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的普遍重視[5-7]。但微型化裝置需要配套的水電等設(shè)施，無(wú)法真正進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)，同時(shí)儀器設(shè)備需要特制，價(jià)格上也較昂貴。本課題組將微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)和微流控芯片兩個(gè)概念結(jié)合在一起，利用打印模板法制備了微芯片化的教學(xué)用芯片[8]。該方法制備的教學(xué)芯片較為方便快速，且成本低廉，在此基礎(chǔ)上，本課題組進(jìn)一步研究發(fā)展了可以用于區(qū)分三種溶液分散系的微芯片教學(xué)器件，報(bào)告如下。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器 聚二甲基硅氧烷（PDMS）(Midland,MI,美國(guó))，透明環(huán)氧樹(shù)脂水晶膠（綠循化工商行，江蘇，昆山），其它試劑，除特別標(biāo)明外均為分析純。所有試劑均用18MΩ /cm的Millipore水配制。

1.2 教學(xué)芯片的制作 根據(jù)水晶硬膠、硅橡膠、橡皮泥等可以相互拷貝表面形貌的特點(diǎn)，先以橡皮泥為模板制作模型，然后將水晶膠按照A組分：B組分=2.5：1的比例澆筑在模型上，待水晶膠成型后剝離水晶膠獲得如附圖所示的水晶膠芯片。其中1、2、3三個(gè)為儲(chǔ)液槽，其中可分別放置溶液（如氯化鈉溶液）、膠體溶液（如蛋白溶液）、懸濁液（如牛奶），集成在芯片上的電池6驅(qū)動(dòng)LED燈泡5發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)分別通入三個(gè)槽體中的光纖4進(jìn)入三個(gè)槽中，在溶液槽中光線直接通過(guò)，沒(méi)有明顯現(xiàn)象，膠體溶液槽中光線會(huì)發(fā)生丁達(dá)爾現(xiàn)象，可以看到明顯的光路，而在懸濁液槽中光線無(wú)法通過(guò)，從芯片的上端可觀察到上述光線在通過(guò)三個(gè)儲(chǔ)液槽時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象，從而區(qū)分三種分散系。也可以用橡皮泥為模板制作模型，用PDMS硅橡膠制作相關(guān)芯片，雖然價(jià)格較為昂貴但透明度好，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)方便密封。

1.3 教學(xué)微芯片的應(yīng)用 準(zhǔn)備一個(gè)培養(yǎng)皿，將PDMS按照單體：固化劑=10:0.6的比例混合均勻，靜置，排除氣泡，置60℃烘箱中1小時(shí)，固化備用。將附圖中的芯片放置在制備的PDMS片上，由于所采用PDMS片的固化劑比例較低，因此該P(yáng)DMS片較軟，可以方便地粘附在附圖中水晶膠芯片底部，密封芯片的下端形成儲(chǔ)液槽。將制備的三種不同的分散系（0.1mol/L的NaCl溶液、雞蛋清溶液、牛奶）分別從水晶膠芯片上端的開(kāi)口處注入三個(gè)儲(chǔ)液槽中，通電，從芯片各方向觀察三個(gè)儲(chǔ)液槽中的現(xiàn)象，討論相關(guān)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。通過(guò)該操作，學(xué)生可以很好地理解這三種分散系對(duì)光的影響情況：⑴溶液槽中光線直接通過(guò)，無(wú)散射無(wú)反射現(xiàn)象。因?yàn)槿芤褐蓄w粒的直徑很?。ǎ?nm），對(duì)光線不產(chǎn)生作用，因此在芯片上下端觀察該槽內(nèi)無(wú)明顯現(xiàn)象，說(shuō)明沒(méi)有散射，在芯片儲(chǔ)液槽前端觀察可看到光纖發(fā)出的光，說(shuō)明光線通過(guò)了溶液槽。⑵膠體槽中光線產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象，既光線發(fā)生了散射現(xiàn)象。原因是膠體溶液中的顆粒直徑為1-100nm，恰好可以使光線發(fā)生散射，因此從芯片上下端觀察該槽可以看到明顯的光路，同時(shí)在芯片儲(chǔ)液槽前端也可以看到光纖發(fā)出的光，但弱于溶液槽中光纖發(fā)出的光。⑶懸濁液槽中光線無(wú)法通過(guò)，因?yàn)閼覞嵋侯w粒的直徑＞100nm，光線在其中發(fā)生反射，因此從芯片上下端觀察不到明顯現(xiàn)象，同時(shí)在芯片儲(chǔ)液槽前端看不到光纖發(fā)出的光。

附圖 三種分散系區(qū)分芯片（1-3：儲(chǔ)液槽，4：光纖，5：LED燈泡，6：電池）

通過(guò)該芯片可以方便地讓學(xué)生理解，三種分散系因?yàn)槠渲蓄w粒直徑的不同對(duì)光產(chǎn)生的不同影響。芯片制作成本低廉，無(wú)需配套水電，便攜性好，因此可以方便地帶入課堂，在課堂上一邊讓同學(xué)動(dòng)手操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一邊講解相關(guān)的理論知識(shí)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)。

2 小結(jié)

本研究通過(guò)使用橡皮泥、水晶膠、PDMS膠等簡(jiǎn)易設(shè)備，制備了三種溶液分散系的微芯片教學(xué)器件，該芯片尺寸小、便攜性好，制作成本低廉，可在課堂上進(jìn)行理實(shí)一體化化教學(xué)，方便學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，是一款成功的便攜式教學(xué)微芯片，可為無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)增加新的有效手段。

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(技術(shù)方法欄目編輯：張 健)

O6-3

A

1004-6879（2017）03-0233-03

2016-12-01）

* 安徽省省級(jí)精品課程（2013gkk016），2014年高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃（皖教秘人[2014]181號(hào)）