將微流控分析引入高校分析化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)*

蔡龍飛 徐春秀

(韓山師范學(xué)院化學(xué)系 廣東潮州 521041)

微流控分析或微型全分析系統(tǒng)(miniaturized total analysis systems,μTAS)的主要目標(biāo)是把整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的功能(包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離及檢測(cè)等)集成在一枚微芯片上，實(shí)現(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)的微型化、便攜化。自從20世紀(jì)90年代Manz等人[1]提出該概念以來(lái)，微流控分析得到了迅速發(fā)展，微芯片的加工、微流體的操控等技術(shù)日趨成熟，與熒光、化學(xué)發(fā)光、紫外可見(jiàn)、電化學(xué)、質(zhì)譜等分析技術(shù)已成功地實(shí)現(xiàn)聯(lián)用，廣泛應(yīng)用于單細(xì)胞分析、高通量篩選等領(lǐng)域。我國(guó)的微流控分析研究雖然起步較晚，但是近10多年來(lái)發(fā)展迅速，在微流控分析的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用以及分析儀器微型化等方面取得了令人矚目的成績(jī)，發(fā)表的關(guān)于微流控領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文數(shù)已躍居世界第2位。

微流控分析作為分析化學(xué)的一個(gè)重要分支，正在引發(fā)一場(chǎng)分析化學(xué)的革命，因此有必要在高校分析化學(xué)的教學(xué)中適當(dāng)增加微流控分析的內(nèi)容。讓學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段即接觸到國(guó)際前沿的微流控分析，不但可以使學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域有初步了解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維，而且可以在本科階段即發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)一些微流控分析的人才，促進(jìn)我國(guó)微流控分析事業(yè)的發(fā)展。盡管微流控分析在我國(guó)發(fā)展較快，文獻(xiàn)報(bào)道逐年增多，但這一領(lǐng)域在分析化學(xué)教學(xué)中的比重卻與其發(fā)展水平不相稱(chēng)。無(wú)論是在微流控發(fā)展水平較高的一些重點(diǎn)高校還是在其他普通高校，化學(xué)系本科生的教學(xué)中還很少涉及微流控分析。究其原因，可概括為以下幾點(diǎn)：首先，我國(guó)的微流控分析研究開(kāi)始于本世紀(jì)初，起步較晚。在發(fā)展初期，芯片加工技術(shù)較復(fù)雜，加工設(shè)備昂貴，無(wú)法實(shí)現(xiàn)普及。第二，有關(guān)微流控分析的教科書(shū)還很缺乏[2]，有關(guān)微流控的基礎(chǔ)理論仍不完善。第三，很多科學(xué)家對(duì)微流控領(lǐng)域的前景仍持懷疑態(tài)度。

隨著我國(guó)微流控分析研究的發(fā)展，有越來(lái)越多的課題組開(kāi)始從事該領(lǐng)域的研究。各種微芯片的加工技術(shù)日趨成熟，只需較簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備即可加工出包括玻璃、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)及聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)等在內(nèi)的各種材質(zhì)的芯片；關(guān)于微流控分析的理論、模擬等較為完善；微流控分析芯片已廣泛應(yīng)用于諸多重要領(lǐng)域，成為單細(xì)胞分析、高通量篩選等的重要平臺(tái)；微型化、便攜式分析儀器開(kāi)始出現(xiàn)。目前微流控的重要性已得到了包括化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛認(rèn)同?；谝陨显颍谄胀ǜ咝５姆治龌瘜W(xué)教學(xué)中引入微流控分析教學(xué)的條件已經(jīng)成熟。

微流控分析理論教學(xué)的內(nèi)容可在完成毛細(xì)管電泳的講授后引入，即由毛細(xì)管電泳過(guò)渡到芯片毛細(xì)管電泳。這樣的銜接比較自然，學(xué)生容易接受。在芯片毛細(xì)管電泳教學(xué)中，應(yīng)充分讓學(xué)生了解在微芯片上進(jìn)行毛細(xì)管電泳分離的優(yōu)勢(shì)，然后再講授微流控分析的發(fā)展歷程、優(yōu)勢(shì)以及芯片的加工。微通道的尺度效應(yīng)是一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，在微流控理論教學(xué)中應(yīng)講授層流效應(yīng)等微通道尺度效應(yīng)。也可在教學(xué)中講授一些淺顯易懂的單細(xì)胞分析等較前沿的研究領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)的重要組成部分，可促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論課內(nèi)容的理解。為使學(xué)生更好地理解微流控分析理論教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)開(kāi)展微流控分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常必要。教學(xué)實(shí)驗(yàn)既要突出微流控分析的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，又應(yīng)易于在普通實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展?；谝陨显瓌t，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)Ⅰ 微通道中層流的形成及T傳感器測(cè)定氫離子[3]

層流是微流控流體區(qū)別于傳統(tǒng)宏觀狀態(tài)流體的顯著特征，可先讓學(xué)生觀察層流現(xiàn)象，然后再進(jìn)行T傳感器測(cè)定氫離子的實(shí)驗(yàn)。

1.1 微通道中層流的形成

流體的流動(dòng)狀態(tài)與雷諾數(shù)(Re)有關(guān)。通常雷諾數(shù)小于2000時(shí)，液體表現(xiàn)為層流狀態(tài)。雷諾數(shù)定義為Re=ρdcv/μ，其中ρ為液體的密度；v為流速；dc為管徑；μ為流體黏度。微流控通道深通常為數(shù)十至數(shù)百微米。以30μm深的通道為例，對(duì)100μm/s流速的水，其雷諾數(shù)小于0.01。因此，低流速下，在微米級(jí)的通道中，流體通常表現(xiàn)為穩(wěn)定的層流狀態(tài)。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，使用的芯片有3個(gè)或3個(gè)以上入口和1個(gè)出口(圖1)，在入口加入不同顏色的色素溶液，在重力驅(qū)動(dòng)下觀察其層流的形成。

圖1 層流芯片構(gòu)型圖1、2、3：芯片入口；4：芯片出口。芯片尺寸為20mm×30mm,通道深30μm，寬150μm。

1.2 T傳感器測(cè)定氫離子

T傳感器測(cè)定氫離子方法由Kamholz等人[3]提出，該方法利用樣品和試劑層流之間的擴(kuò)散反應(yīng)測(cè)定樣品中的氫離子。該方法中使用的芯片如圖2所示。在本教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，樣品溶液和酸堿指示劑溶液在重力驅(qū)動(dòng)下，從各自的入口進(jìn)入并在主通道匯合形成穩(wěn)定的層流，樣品相中的氫離子擴(kuò)散進(jìn)入酸堿指示劑相,并在界面發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)界面顏色變化可定量測(cè)定氫離子的濃度。

本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展有助于學(xué)生理解微流控條件下與傳統(tǒng)條件下流體流動(dòng)狀態(tài)的區(qū)別。本實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備為玻璃芯片、體視顯微鏡，試劑為各種色素溶液和酸堿指示劑，采用重力驅(qū)動(dòng)，不需要使用注射泵等昂貴的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、試劑易得，易在普通實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展。

2 實(shí)驗(yàn)Ⅱ 芯片毛細(xì)管電泳分離分析氨基酸

芯片毛細(xì)管電泳是在玻璃、石英等芯片的微通道中，以電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力，借助于離子或分子在電遷移或分配行為上的差異，對(duì)復(fù)雜樣品中的多種組分進(jìn)行高速分離分析的技術(shù)[2]。與常規(guī)毛細(xì)管電泳相比，芯片毛細(xì)管電泳具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 玻璃芯片具有較好的散熱性能，電泳分離時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱能得到及時(shí)散發(fā)，因此可以在芯片毛細(xì)管電泳分離中施加傳統(tǒng)毛細(xì)管電泳分離無(wú)法達(dá)到的高場(chǎng)強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高速、高效的電泳分離。

(2) 利用微加工技術(shù)，在芯片上加工出各種分析單元，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣、樣品處理、分離、分析等各種分析單元的集成。

本實(shí)驗(yàn)將采用芯片毛細(xì)管電泳分離5種氨基酸組分。精氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、谷氨酸及天門(mén)冬氨酸經(jīng)異硫氰酸熒光素(fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC)標(biāo)記后，以pH=9.2的硼酸為緩沖液，在十字構(gòu)型的芯片上控制各液池的電壓,以?shī)A流進(jìn)樣法進(jìn)樣后,進(jìn)行電泳分離。

本實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備為一枚十字構(gòu)型的微芯片、高壓電源系統(tǒng)及簡(jiǎn)易自制的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)備較為簡(jiǎn)單。所需試劑在常規(guī)分析實(shí)驗(yàn)中較為常見(jiàn)，容易獲得。因此本實(shí)驗(yàn)適合在普通實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展。

上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所需平臺(tái)較易搭建，將在筆者執(zhí)教的化學(xué)系本科生分析化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展。雖然玻璃芯片加工理論較簡(jiǎn)單，但技術(shù)上要求較高，因此考慮到實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和成本的限制，實(shí)驗(yàn)中使用的玻璃芯片皆由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在教學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前加工而成。隨著本實(shí)驗(yàn)室微流控分析平臺(tái)建設(shè)的不斷完善，實(shí)驗(yàn)的選擇和個(gè)數(shù)均可有所調(diào)整。其他高校的實(shí)驗(yàn)主講教師也可根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)室的條件和學(xué)生水平開(kāi)設(shè)出一些難度和意義更大的微流控分析實(shí)驗(yàn)，如單細(xì)胞分析等，使學(xué)生能對(duì)該領(lǐng)域有更為深入的了解，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Manz A,Graber N,Widmer H M.SensActuatorsB,1990(B1):244

[2] 方肇倫.微流控分析芯片.北京:科學(xué)出版社,2002

[3] Kamholz A E,Weigl B H,Finlayson B A,etal.AnalChem,1999,71(23):5340