科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化的“玻璃微噴嘴的制作及檢測”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱麗 狄長安

摘要：微流體器件的加工是微流控技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，根據(jù)進(jìn)行的科研工作以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，將科研課題中具有創(chuàng)新性和教學(xué)可行性的內(nèi)容植入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了題為“玻璃微噴嘴的制作及檢測”的創(chuàng)新性開放實(shí)驗(yàn)，以促進(jìn)復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多學(xué)科交叉融合，涉及微噴嘴激光微加工及顯微檢測等內(nèi)容。實(shí)踐表明，通過這種科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合的方案，使學(xué)生緊跟科技發(fā)展腳步，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索潛能，鍛煉了動手實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：微流控技術(shù);玻璃微噴嘴;創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn);科學(xué)研究

中圖分類號：G642.423? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0265-03

一、引言

建設(shè)創(chuàng)新型國家的核心在于擁有大批創(chuàng)新型的人才，而高等學(xué)校作為人才培養(yǎng)的主體應(yīng)積極思考如何全方位地培養(yǎng)創(chuàng)新型的人才[1-3]。微流控技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的一項(xiàng)以微流體操控為核心的科學(xué)技術(shù)[4-6]，它把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測、細(xì)胞操控等基本操作單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、高適用性等特點(diǎn)，已發(fā)展成為介觀物理學(xué)、基因生物學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、流體力學(xué)、分析化學(xué)、材料學(xué)、傳熱學(xué)以及光電學(xué)等多學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。

將科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)將極大提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段[7]。微流控的研究涉及基礎(chǔ)器件的設(shè)計(jì)與制造、微流體實(shí)驗(yàn)和理論研究，側(cè)重于宏微尺度效應(yīng)和機(jī)、電、熱、生化和其他領(lǐng)域的耦合理論，液體微噴射技術(shù)是微流控技術(shù)中的一個重要的應(yīng)用方向。為了讓學(xué)生了解多學(xué)科交叉研究前沿，并能綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識解決實(shí)際工程問題，在大量教學(xué)和研究的基礎(chǔ)上，將科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性實(shí)踐資源，設(shè)計(jì)了“玻璃微噴嘴的制作及檢測”創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及玻璃激光拉制加工、微噴嘴尺寸檢測等方面，可以為微噴嘴的低成本、簡單、快捷制備提供切實(shí)有效的方法，同時也為微流控技術(shù)在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用提供借鑒和參考。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在微流體噴射的實(shí)際應(yīng)用中，微噴嘴的幾何參數(shù)對其系統(tǒng)性能影響較大，甚至是決定性作用，所以本實(shí)驗(yàn)除了讓學(xué)生學(xué)會玻璃微噴嘴的激光拉制以外還要掌握對微小尺寸的精確測量。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。本?shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握玻璃激光拉制加工原理及方法，掌握顯微鏡測量微噴嘴尺寸方法。

2.實(shí)驗(yàn)原理。硼硅酸鹽玻璃在溫度達(dá)到800℃時，即可進(jìn)行吹制，所以在此溫度下可以拉制玻璃。對硼硅酸鹽玻璃進(jìn)行加熱，主要有激光加熱、火焰加熱、電阻絲加熱等方法。電阻絲加熱和火焰加熱的可控性相對于激光差。激光器加熱迅速，可以精準(zhǔn)控制加熱溫度等。本實(shí)驗(yàn)采用帶有激光加熱器的微電極拉制儀拉制玻璃微噴嘴。玻璃微噴嘴的拉制原理如圖1所示，玻璃毛細(xì)管裝夾在水平可活動卡頭之間，激光源將玻璃毛細(xì)管加熱達(dá)到一定溫度值后，玻璃黏度系數(shù)下降，玻璃毛細(xì)管軟化成可流動的半熔融狀態(tài)，當(dāng)溫度達(dá)到玻璃的塑性加工工藝溫度時，用預(yù)設(shè)的速度和拉力沿軸向拉制玻璃毛細(xì)管，就可拉制成玻璃微噴嘴。

3.實(shí)驗(yàn)儀器及材料。SUTTER P-2000微電極拉制儀、數(shù)碼顯微鏡MS2020USB、硼硅酸鹽玻璃毛細(xì)管。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與拓展

1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果。P-2000拉制儀主要包括5類參數(shù)的設(shè)置：（1）HEAT：加熱量。通過設(shè)置HEAT改變激光器的輸出功率，即可以改變玻璃管的加熱溫度。不同加熱溫度下的玻璃的黏度系數(shù)不同，拉制出的微噴嘴的尺寸不同。（2）FILAMENT：加熱區(qū)域大小。改變加熱區(qū)域大小可加熱不同面積的毛細(xì)管。不同值適用于不同尺寸的玻璃毛細(xì)管。（3）VELOCITY：速度。指拉開兩端玻璃的速度。不同值適用于不同尺寸的玻璃毛細(xì)管。（4）PULL：拉力。加熱后（或加熱時），拉力器根據(jù)設(shè)定的拉力值拉開兩端玻璃管。不同拉力情況下，拉制出的微噴嘴的尺寸不同。（5）DELAY：延遲時間。延遲時間的設(shè)定作用在于加熱結(jié)束多長時間后（前）將其拉開。不同延遲時間下，拉制出的微噴嘴的尺寸不同。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，在激光拉制微噴嘴過程中，主要考查了上述五個控制參數(shù)對微噴嘴拉制結(jié)果的影響。微噴嘴質(zhì)量好壞主要取決于微操作過程，因此本實(shí)驗(yàn)非常注重考查學(xué)生的動手能力，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行微細(xì)操作時的耐心和熟練程度。

微噴嘴尺寸參數(shù)主要包括錐長及出口內(nèi)徑，利用數(shù)碼顯微鏡完成尺寸測量。圖2為不同尺寸微噴嘴的顯微照片。學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出：增大加熱量、拉力值、拉制速度均可增加微噴嘴的錐長、減小出口內(nèi)徑;而加熱區(qū)域變大、延遲時間變短均增加微噴嘴的錐長，對出口內(nèi)徑影響不大。

2.教學(xué)效果及實(shí)驗(yàn)拓展。目前，本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)針對測控、機(jī)械等專業(yè)本科學(xué)生開展了開放實(shí)驗(yàn)課程，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生受專業(yè)、時間限制的問題。課程得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可，取得了很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。做實(shí)驗(yàn)之前，指導(dǎo)老師對學(xué)生告知實(shí)驗(yàn)方法、目的及要求，但并沒有給出具體的步驟;指導(dǎo)老師會適時督促，對實(shí)驗(yàn)中存在的問題進(jìn)行啟發(fā)、引導(dǎo)，使學(xué)生能夠舉一反三。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生系統(tǒng)了解了微流控技術(shù)、微噴嘴的制備工藝及微小尺寸測量過程，讓學(xué)生親自參與科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，通過獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)際動手操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等多方面練習(xí)，在獲得全面訓(xùn)練的過程中，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際能力，將所學(xué)理論知識運(yùn)動到實(shí)踐當(dāng)中，大大調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)在顯示出其獨(dú)特優(yōu)勢的同時，也出現(xiàn)了一些問題，主要是由于本實(shí)驗(yàn)平臺是基于科研平臺，臺套數(shù)受限，因此一次開放學(xué)生數(shù)有限，開放實(shí)驗(yàn)的平臺有待進(jìn)一步建設(shè)，需要學(xué)校給予一定的支持，讓更多學(xué)生從中受益。

與此同時，基于實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵知識的掌握，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可進(jìn)一步拓展。教師可根據(jù)學(xué)生掌握的程度，把科研工作的新的內(nèi)容及時補(bǔ)充到教學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。比如學(xué)生對于微流控技術(shù)的應(yīng)用非常感興趣，學(xué)生在教師的啟發(fā)下，自己查閱文獻(xiàn)，可以自主加工不同尺寸的微噴嘴并應(yīng)用于液滴微噴射、細(xì)胞微輸送操作等領(lǐng)域。圖3是學(xué)生利用自主設(shè)計(jì)加工的微噴嘴進(jìn)行液滴微噴射打印、細(xì)胞數(shù)字化微輸送的實(shí)驗(yàn)照片。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以圍繞微流控技術(shù)申報(bào)國家、江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，或申請發(fā)明專利、發(fā)表高水平論文等。

四、結(jié)語

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分，對于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力具有至關(guān)重要的作用。

將科研成果引入大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，有利于開拓學(xué)生的學(xué)科交叉研究視野，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)探索熱情，顯著提升學(xué)生的科研思維能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力，符合國家對復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及微噴嘴激光微加工及顯微檢測等內(nèi)容，微噴嘴的制作方法具有工藝簡單、操作方便、成本低、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。

在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生進(jìn)行玻璃微噴嘴加工及檢測，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)總結(jié)幾個環(huán)節(jié)中，學(xué)生認(rèn)真查閱文獻(xiàn)，動手實(shí)踐，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了科研項(xiàng)目和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的緊密結(jié)合，促進(jìn)了對學(xué)生創(chuàng)新意識和探索精神的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]任良玉，張吉維.本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的制度環(huán)境和文化環(huán)境：以“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”實(shí)施為例[J].清華大學(xué)教育研究，2009，30（3）：108-113.

[2]張紅光.開放實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（6）：16-19.

[3]楊國來，任杰，喬莉，等.軍工專業(yè)研究生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索——以研究生實(shí)驗(yàn)課《武器典型結(jié)構(gòu)模態(tài)測試與分析實(shí)驗(yàn)》為例[J].教育教學(xué)論壇，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產(chǎn)業(yè)化[J].分析化學(xué)，2016，44（4）：491-499.

[6]楊利軍，朱麗，陸寶春，章維一.基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的電化學(xué)微流控芯片制備方法[J].分析化學(xué)，2017，45（6）：922-930.

[7]成協(xié)設(shè)，劉薇，王立金.開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)理論到創(chuàng)新的有效對接[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，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