酸碱指示剂教学微流控芯片的制作*

吴 剑，张 叶，高 焕

（安徽中医药高等专科学校，安徽芜湖 241000）

技术方法

酸碱指示剂教学微流控芯片的制作*

吴 剑，张 叶，高 焕

（安徽中医药高等专科学校，安徽芜湖 241000）

微流控芯片；酸碱指示剂微芯片；教学用微芯片；分析化学

微型全分析系统(miniaturized total analysis system，μ-TAS)的概念是Manz等于20世纪90年代初首次提出[1-2]，其中的微流控芯片综合了分析化学、微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)、计算机、材料学、生物医学等多学科领域，将化学实验室的各项功能，如样品预处理、进样、分离与检测等集成到信用卡大小的芯片上，实现了实验室的微型化，大大缩短了整个分析流程所需要的时间，也将试剂的消耗降低到微升甚至纳升级，并能实现多种分析功能。从本世纪初开始，微流控芯片技术得到了飞速发展，已经广泛应用于芯片毛细管电泳、材料合成、免疫分析、细胞操纵、蛋白质结晶研究等众多领域，是分析科学研究的热点之一[3-4]。但该方法目前主要应用于科研方面，教研方面应用较少且制作成本昂贵，而微芯片法耗材少、微型化等特点符合绿色化学、微型化化学实验的要求。微型化学实验是目前国际上公认的能体现绿色化学理念的化学实验的新技术和新方法，具有节约药品、节省时间、减少实验“三废”等优点，得到了国内外实验教学人员的普遍重视[5-7]。但微型化装置需要配套的水电等设施，无法真正进行课堂实验，同时仪器设备需要特制，价格也较昂贵，无法实现教师、学生对反应装置的自我设计。吴剑等[8]将微型化学实验和微流控芯片两个概念结合在一起，利用打印模板法制备了微芯片化的教学用芯片。该方法制备芯片较为方便快速，缺陷是打印模板法的模板管道较薄，管道容易断裂导致实验失败。另外，演示区域的颜色变化也不明显，学生不易观察到颜色变化。本研究利用面粉和焊锡丝制备模板，该方法制备方便，并且容易剥离用于演示酸碱指示剂的教学微芯片，该芯片通过形成酸的浓度梯度后与加了指示剂的碱相互作用，产生不同的颜色变化，方便学生直观观察，获得了较好的教学效果，且制作成本低廉，学生可自行完成制作。现将制作方法报告如下。

1 材料和方法

1.1 试剂和仪器 聚二甲基硅氧烷（PDMS）Sylgard 184，Dow Corning(Midland，MI，美国)；维修佬焊锡丝0.5mm，透明环氧树脂水晶胶（绿循化工商行，江苏，昆山）。所用试剂除非特别标明的均为分析纯。所有试剂均用18 MΩ/cm的Millipore水配制。

1.2 教学芯片模板的制作 将焊锡丝按照阵列微流控浓度梯度网络的图案，弯曲成所需要的形状，并排列在培养皿的底部，各焊锡丝之间用面粉黏合保证各部分的连接，即可制备微芯片的模板。见图1：

图1 焊锡丝-面粉制作的阵列微流控浓度梯度网络模板

1.3 教学微芯片的制作 将PDMS按照单体：固化剂=10：1的比例混合均匀，倾注到1.2中有模板的培养皿内并淹没全部模板，静置待气泡除尽，置烘箱中60℃加热2h，PDMS固化，用小刀小心的将PDMS切下获得管道片；用收音机天线改装的3mm直径的打孔器在芯片的入口1、2处和出口3、4、5、6、7处分别打上圆孔制备管道片。在另外同尺寸的培养皿中倾注PDMS，同样方法制备无管道的上下两片PDMS片，在上片对应入口1、2处的位置打上小孔，将三片PDMS片按照上片、管道片、下片的位置贴合在一起即完成芯片的制作。见图2：

图2 教学微芯片示意图

1.4 试剂的准备 用90%的乙醇配置0.1%的甲基橙溶液，以及配置0.1mol/L的NaOH溶液、0.2mol/L的盐酸溶液。取25ml 0.1mol/L的NaOH溶液，其中滴加1滴甲基橙溶液，震荡均匀，备用。

1.5 教学微芯片的应用 将图2中的下底片贴在管道片下面，将1.4中滴加了甲基橙的NaOH溶液预先放置在管道片下端3-7五个出口处的小孔内，然后将上底片贴在管道片上，注意对准进口处的小孔位置，将1.4中的盐酸溶液和纯化水分别装入两支注射器，装盐酸的注射器放置在进口1、装纯化水的注射器放置在进口2，同时推动两支注射器将盐酸和纯化水溶液注射进管道片的管道内，盐酸溶液将和纯化水混合并在3-7的出口处形成浓度梯度。理想状态下可以形成(0.2、0.175、0.1、0.025、0)mol/L 5个HCl的浓度梯度。其中3、4处盐酸过量，甲基橙的颜色将变为红色，且3处颜色更深；5处盐酸和NaOH理论上完全反应，pH=7，甲基橙为黄色；6、7处NaOH过量甲基橙为黄色，颜色深浅程度为5＜6＜7。学生可以自行使用本芯片操作获得上述结果，方便学生理解相关内容，且能实现理实一体化教学。教师结合芯片上的结果讲解与指示剂变色相关的教学内容，溶液pH值的变化使指示剂共轭酸碱的离解平衡发生移动，致使颜色变化。弱酸指示剂在溶液中存在下列平衡：

KHIn为指示剂的离解平衡常数。

2 结语

本研究通过焊锡丝、面粉等简易工具制备了酸碱指示剂教学微芯片，该芯片尺寸小、便携性好，制作成本低廉，可在课堂上进行理实一体化化教学，方便同学理解教学内容，是一款成功的便携式教学微芯片，为分析化学教学增加了新的有效手段。

[1]Graber N，Lüdi H，Widmer HM.The use of chemical sensors in industry [J]. Sensors and Actuators B:Chemical，1990，1(1-6):239-243.

[2]Manz A，Graber N，Ludi H，Widmer HM.Miniaturized total chemical analysis systems: a novel concept for chemical sensing [J].Sensors and Actuators B:Chemical，1990，1(1-6):244-248.

[3]方肇伦，殷学锋，方群，等.微流控分析芯片[M].北京：科学出版社，2003.1-12.

[4]Wu J, Bai HJ, Zhang XB, et al. Thermal/plasma-driven reversible wettability switching of abare gold film on a poly(dimethylsiloxane)surface by electroless plating[J]. Langmuir,2009,26(2):1191-1198.

[5]周宁怀，微型无机化学实验[M].北京：科学出版社，2000.1-8.

[6]姚如富，方敏秀.中学化学实验与学生的环保意识[J].安徽教育学院学报，2002，20(6)：100-101.

[7]曾红，丁慧萍.微型化学实验在基础化学实验教学中的研究[J].广州化学，2016，41(3)：73-76.

[8]吴剑，张叶，俞晨秀，等.微芯片化学实验设计[J].中国教育技术装备，2013（，21）：129-130.

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1004-6879（2018）01-0055-03

* 安徽省省级精品课程（2013gkk016）

2016-10-13)

(技术方法栏目编辑：张 健)