微流控技術在高等院校本科教學實驗中的應用方向與路徑

范一強 張亞軍

摘 要：微流控技術起源于上世紀90年代末，目前已經(jīng)在分析化學、生命科學、醫(yī)學等領域得到了廣泛應用，微流控技術已經(jīng)逐漸成長為現(xiàn)場檢測、即時檢測、細胞/生物大分子等研究領域最為重要的研究工具。從微流控技術在高等院校中的實際應用情況看，絕大多數(shù)的應用場景仍處在科研實驗室中，生物、化學、微電子、機械等相關學科本科階段學生尚無機會接觸和學習到微流控技術，在微流控技術廣泛應用的大背景下，亟需將微流控及其相關技術融入本科生的教學實驗中，對于拓寬學生的交叉學科視野具有重要作用。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，各類加工方法簡單易行且成本低廉的微流控芯片相繼出現(xiàn)，為將微流控技術引入本科階段教學實驗創(chuàng)造了基本條件。文章首先對微流控技術在國外高校本科教學實驗中的應用情況進行了介紹，之后著重探討了幾種可能的將微流控技術應用于生物、化學、微電子等專業(yè)教學實驗的方法與路徑。

關鍵詞：本科教育；教學實驗；微流控技術

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0084-03

Abstract： The origin of microfluidics can be dated back to late 90s， up to now， microfluidics has been widely used in analytical chemistry， life science and medicine， and microfluidics has become one of the most important tools in cell biology and molecular biology. In a review of the current applications of microfluidics in higher education， most of the cases were aimed at research in certain area， microfluidics has been rarely used in the teaching experiments for undergraduate students in biological， chemical， electrical and mechanical majors. The integration of microfluidics in teaching experiments is of great importance to broaden students' horizons. After 20 years' development， lots of low-cost protocols have been invented by various researchers， which could be used for the integration of microfluidics in teaching experiments for undergraduate students. In this study， a brief review was provided for the current integration of microfluidics in teaching experiments in foreign countries， then a detailed discussion was provided for the possible protocols of integrating microfluidics in undergraduate teaching experiments.

Keywords： undergraduate education； teaching experiment； microfluidics

一、概述

微流控技術起源于微機電系統(tǒng)（MEMS）中對微量流體進行操作的技術，后逐漸發(fā)展成為一門較為獨立的學科體系，近十年來，微流控技術在生命科學、分析化學、醫(yī)學等領域得到了廣泛應用。微流控是一門機械、電子、生物、化學、醫(yī)學等學科交叉融合的新興學科，基于微流控技術的微流控檢測芯片具有檢測精度高、檢測時間短、試劑消耗少、能耗低等顯著優(yōu)勢。微流控技術的發(fā)展方興未艾，未來必將在更為廣泛的領域得到普遍應用。

從國內(nèi)外高等院校在微流控相關教育的實施情況看，盡管國外部分高校開設了相關選修課程和在教學實驗中融入了微流控技術，但是還遠未普及到生物工程、醫(yī)學、化學、電氣工程、機械等本科階段學生的實驗教學中，不利于相關專業(yè)學生學術視野的開拓，也不利于畢業(yè)后的繼續(xù)深造的知識儲備需求。

從微流控技術的發(fā)展情況看，各類微流控芯片的加工技術相繼出現(xiàn)，其中不乏加工過程簡單易行、加工設備要求不高的基于聚合物、紙等低成本材料的微流控芯片加工技術，非常適合應用于化學、生物等專業(yè)本科生的教學實驗中，將微流控技術與現(xiàn)有教學實驗進行融合，有助于提高學生的學習興趣和實驗操作技能，也有助于拓展學生在微流控領域的知識貯備。本文首先對國外微流控技術與教學實驗的融合情況進行了簡單回顧，之后提出了幾種將微流控技術應用于實驗教學中的實施方法與路徑。

二、國內(nèi)外高校微流控相關教學實驗教育開展情況

將微流控技術引入教學實驗最早的嘗試在2004年，哈佛大學的Ravgiala等研究者在面向高中科學課教師的暑期培訓中，利用玻璃毛細管產(chǎn)生的液滴對細胞實現(xiàn)了單包裹，該項教學嘗試中使用了玻璃毛細管等常見的實驗材料和簡單實驗設備加工完成了具有實用功能的微流控芯片。

第一次將微流控技術系統(tǒng)性的引入教學實驗的嘗試開始于2010年，由美國國家科學基金資助在美國辛辛那提大學、伊利諾伊大學、猶他州立大學以及北卡羅萊納州立大學五所高校的本科生教學實驗中引入了微流控技術，在教師的指導下學生完成了一些簡單的微流控芯片的數(shù)值仿真模擬、加工制作與測試。該項目的實施者認為這項在五所大學中的先導性的嘗試是成功的，對于學生提高交叉學科的創(chuàng)新能力有重要意義[1]。

從2011年開始，幾種基于低成本材料和加工方法的微流控芯片被逐步應用于本科教學中，這些方法普遍不需要昂貴的實驗材料，可以借助一些常見的辦公室、實驗室設備，如激光打印機、蠟打印機[2]等完成微流控芯片的加工。比較有代表性的如Yang等人指導學生完成的基于果凍的微流控芯片[3]，以及Nguyen等研究者制備的用于教學實驗的基于熱縮片的微流控芯片[4]等。

近年來，在微流控技術引入教學實驗的過程中，不同的研究者都指出[5，6]，模塊化的微流控系統(tǒng)是未來發(fā)展的一個重要方向。通過模塊化的微流控系統(tǒng)，利用已經(jīng)制備完成的標準化芯片模塊，學生可以跳過芯片制備過程，直接根據(jù)實驗需求選擇、組裝完成適用于實驗要求的微流控系統(tǒng)，大幅提高實驗效率。圖1展示了一種基于樂高玩具模塊化概念的微流控芯片系統(tǒng)[7]。目前國外已經(jīng)初步形成了模塊化微流控芯片生產(chǎn)加工體系，比較有代表性的公司有Micronit，Dolomite，Ch

ipshop等。

三、微流控技術應用于教學實驗的方法與路徑

將微流控技術應用于高校本科教學實驗中，主要面臨兩方面的技術難題，主要體現(xiàn)在流體的流動的數(shù)值模擬仿真以及微流控芯片的加工技術這兩方面。伴隨微流控技術的發(fā)展，這兩方面的技術難題不斷被研究者從各個不同方向所突破，已經(jīng)基本達到了引入本科教學實驗的條件。

從微流控技術的數(shù)值模擬方向看，目前各高校理工科教育的本科階段普遍設置了有限元法相關的課程[8]以及流體力學基礎課程[9]，在這兩門課程知識積累的基礎上，通過目前已經(jīng)商業(yè)化應用的各類有限元分析軟件，本科階段的學生也可實現(xiàn)一些簡單的微流體流動情況的數(shù)值模擬仿真分析。在微流控的數(shù)值分析方面，以COMSOL為代表的一些成熟的商業(yè)化軟件已經(jīng)具有了專門的微流控數(shù)值模擬仿真模塊[10]，學生可以通過圖形化的編程方法實現(xiàn)建模、邊界條件設定、網(wǎng)格劃分、計算等過程，實現(xiàn)簡單的流體流動、混合、液滴產(chǎn)生等的模擬分析，為后續(xù)微流控芯片的加工和設計奠定基礎。如圖2展示的是用于加速流體混合的微流控芯片的COMSOL數(shù)值模擬。

從微流控技術的加工方法看，在微流控技術出現(xiàn)的早期，由于其加工制備技術直接繼承于微機電系統(tǒng)技術，往往需要使用各類昂貴的微加工設備（光刻、化學沉積、金屬濺射等）在硅片、玻璃等材料基體上制備完成微流控芯片，成本非常高昂，難以應用在教學實驗中。近年來各類基于聚合物、紙等材料的低成本微流控芯片加工技術相繼出現(xiàn)，很大程度上降低了微流控芯片的加工成本，創(chuàng)造了微流控芯片進入本科教學實驗的有利條件。

從目前微流控芯片加工技術的發(fā)展情況看，以下幾種加工方法不僅成本低廉，且加工方法簡單，加工精度也能滿足教學實驗的要求：

1. 基于聚合物材料的二氧化碳激光燒蝕技術：二氧化碳激光是各類激光器中成本最為低廉的一種，在工業(yè)中具有較為廣泛的應用，一般桌面型的二氧化碳激光器價格不超過萬元。利用二氧化碳激光在聚合物材料上燒蝕加工微結構，不僅速度快、成本低廉，且流道結構通過軟件進行設計，可以加工較為復雜的微流控芯片；

2. 紙基微流控芯片：利用實驗室常見的濾紙，在其表面加工具有疏水結構的圍堰，形成微流控芯片。常見的疏水結構可以由絲網(wǎng)印刷，蠟打印方法等加工完成，成本非常低廉，應用于教學實驗中，適用于觀察具有顯色反應的實驗過程；

3. 基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）的微流控芯片，此類芯片的加工由PDMS倒模形成，其加工精度依賴于模具的加工精度，具體實施過程中可以利用各種實驗室現(xiàn)有設備制作基于金屬、塑料等材質(zhì)的模具，用于PDMS芯片倒模。圖3展示了基于PDMS材料的微流控芯片；

4. 機械加工方法：利用數(shù)控銑床甚至手動刻畫的方法在聚合物等材質(zhì)上加工出微結構（微通道），適用于精度要求不高且不具有其他加工條件的場合，開展融合微流控芯片的教學實驗。

表1總結和比較了上述四種適用于本科教學實驗中應用的微流控芯片加工方法，主要從材料成本、設備成本、鍵合方法、適用場合等方面進行了比較，具體實施過程中可以根據(jù)需要進行靈活選擇。

四、結束語

本文討論了將微流控技術融入本科教學實驗中的可行性，以及方法與路徑。首先回顧了近年來國外本科教學實驗中融入微流控技術的嘗試與發(fā)展情況，之后對微流控技術融入化學、生物、電子、機械等本科專業(yè)教學實驗中的可能方法與路徑進行了討論，提出了幾種低成本微流控芯片加工技術融入本科專業(yè)教學實驗中的方法，最后對這幾種方法的優(yōu)缺點進行了比較。

微流控技術的發(fā)展方興未艾，已經(jīng)成為分析化學、生命科學等學科研究的重要技術手段，將微流控技術的教育納入到相關專業(yè)本科實驗教學過程中是大勢所趨，對于提高學生的交叉學科創(chuàng)新能力和相關知識儲備起到了重要的推動作用。

參考文獻：

[1]C. Maltbie et al.， “Expanding the introduction of microfluidics through a problem-based laboratory course to multiple engineering disciplines at five universities，”in Frontiers in Education Conference （FIE），2010 IEEE， 2010， pp. S2F-1-S2F-6： IEEE.

[2]M. Hemling et al.，“Microfluidics for High School Chemistry Students，” J Chem Educ，vol. 91， no. 1， pp. 112-115， Jan 14 2014.

[3]C. W. T. Yang， E. Ouellet， and E. T. Lagally， “Using inexpensive Jell-O chips for hands-on microfluidics education，”ed： ACS Publications，2010.

[4]D. Nguyen， J. McLane， V. Lew， J. Pegan， and M. Khine， “Shrink-film microfluidic education modules： Complete devices within minutes，” Biomicrofluidics， vol. 5， no. 2， p. 22209， Jun 2011.

[5]Y. Fintschenko， “Education： A modular approach to microfluidics in the teaching laboratory，” Lab Chip， vol. 11， no. 20， pp. 3394-400， Oct 21 2011.

[6]H. Becker， “Chips， money， industry， education and the ”killer application“，” Lab Chip， vol. 9， no. 12， pp. 1659-60， Jun 21 2009.

[7]K. Vittayarukskul and A. P. Lee， “A truly Lego -like modular microfluidics platform，” Journal of Micromechanics and Microengineering， vol.27，no.3，p.035004，2017.

[8]柏興旺，潘風清，歐陽八生.有限元法課程教學信息化建設芻議[J].高教學刊，2016（07）：76-77.

[9]朱兵，孫曉晶，黃典貴.“工程流體力學”的課堂教學模式思考[J].高教學刊，2016（21）：86-87.

[10]J. A. Morton and H. Bridle， “Student-led microfluidics lab practicals： Improving engagement and learning outcomes，” Biomicrofluidics， vol. 10， no. 3， p. 034117， May 2016.

[11]P. Sukumar and M. A. Qasaimeh， “Microfluidic mixing elements for concentration gradients，” in Advances in Science and Engineering Technology International Conferences （ASET），2018， 2018， pp. 1-4： IEEE.

[12]M. Chu， T. T. Nguyen， E. K. Lee， J. L. Morival， and M. Khine， “Plasma free reversible and irreversible microfluidic bonding，”Lab Chip， vol. 17， no. 2， pp. 267-273， Jan 17 2017.

[13]S. Liu， Y. Fan， K. Gao， and Y. Zhang，“Fabrication of Cyclo-olefin polymer-based microfluidic devices using CO2 laser ablation，” Materials Research Express，vol. 5，no.9，2018.

[14]范一強，劉士成，金玉潔，等.整合紙基微流控檢測芯片的食藥紙包裝[J].包裝工程，2017，38（15）：5-8.

[15]C. F. Chen and K. Wharton， “Characterization and failure mode analyses of air plasma oxidized PDMS-PDMS bonding by peel testing，” Rsc Advances， vol. 7， no. 3， pp. 1286-1289， 2017.

[16]R. Novak，C. F. Ng， and D. E. J. M. M. B. Ingber， “Rapid Prototyping of Thermoplastic Microfluidic Devices，”vol. 1771， pp. 161-170， 2018.