CN106563516B - 一种教学用微芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种教学用微芯片的制备方法，包括如下步骤：1)在培养皿中设计好管道的位置，用热熔胶在相应管道处刻画出凸起的管道模型，等其凝固；2)将培养皿放置在铁盒表面，在管道的出口处放置磁铁石，完成具有三维空间结构的模板；3)将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的比例配好，混合倒入培养皿中，烘干；4)烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离，去除磁铁石；5)使用另外一块PDMS下底片封接步骤4中PDMS胶体的表面，得到芯片本体；本法制备快捷方便，成型剥离等非常方便，通过标准的磁铁获得不同厚度的储液槽，通过简单的制备，就可以很好的让同学们通过实践动手来理解郞伯‑比尔定理、薄层色谱法原理等枯燥的内容。

Description

一种教学用微芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及分析化学教学器具技术领域，具体涉及一种化学教学用微芯片的制备方法。

背景技术

本技术属于微型化化学反应装置和微流控芯片技术的交叉领域，其主要思路是利用微流控芯片的制作技术，制作新型微型化分析化学教学器具，Manz A等人于20世纪90年代初首次提出了微型全分析系统(miniaturized total analysis system，μ-TAS)的概念。其中的微流控芯片综合了分析化学、微机电系统(mi-cro-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，实现实验室的微型化，可以大大缩短整个分析流程所需要的时间；也能将试剂的消耗降低到微升甚至纳升级，可以实现多种分析功能。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。但是该技术目前主要是应用在科研方面，教研方面应用较少，然而微芯片法耗材少，便携性好等特点恰恰符合绿色化学、微型化化学实验的要求，也方便实现理实一体化教学，因此其在教学领域也具有非常广泛的应用前景。另一方面，目前微芯片制作的技术如MEMS技术等较为昂贵，这也限制了其在教学领域的应用。

微型化实验是20世纪80年代崛起，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。其具有节约药品，节省时间，减少实验的“三废”等优点，引起了国内外实验教学人员的普遍重视。但是微型化装置一般来说还是需要有配套的水电等设施，无法真正带入课堂进行实验，同时仪器设备需要特制，因此价格上也较贵，无法实现教师乃至学生对反应装置的自我设计。

因此，如何将微型化化学实验的概念和微流控芯片的技术结合在一起，设计出教学用的微芯片，是非常有意义的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种教学用微芯片的制备方法，其制备方法简单、成本低廉，具有良好的教学效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术手段为：一种教学用微芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)在培养皿中设计好管道的位置，用热熔胶在相应管道处刻画出凸起的管道模型，等其凝固；

2)将培养皿放置在铁盒表面，在管道的出口处放置磁铁石，完成具有三维空间结构的模板；

3)将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合倒入培养皿中，烘干；

4)烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离，去除磁铁石；

5)使用另外一块PDMS下底片封接步骤4中PDMS胶体的表面，得到芯片本体。

一种教学用微芯片的制备方法，包括以下步骤：

a)在培养皿中设计好管道的位置，用热熔胶在相应管道处刻画出凸起的管道模型，等其凝固；

b)将培养皿放置在铁盒表面，在管道的出口处放置磁铁石，完成具有三维空间结构的模板；

c)将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合倒入培养皿中，烘干；

d)烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离，去除磁铁石；

e)加热热熔胶，将熔化后的热熔胶倾倒在步骤4中PDMS胶体中；

f)待热熔胶凝固后剥离，拷贝出三维模型，形成热熔基的阳模，使用刀片将三维模型上用于形成阻隔部的材料去除；

g)步骤f中热熔基的阳模放入培养皿中，再次将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合倒入培养皿中；

h)待步骤g中PDMS胶固化后剥离，获得最终所需的PDMS基的管道片；

i)使用另外一块PDMS上盖片封接贴紧在步骤h中PDMS胶体的表面，得到芯片本体。

本发明的有益效果在于：

1、通过热溶胶、培养皿、磁铁为模版用PDMS胶制备，制备方便，无需复杂的加工系统，因为热熔胶可以方便的在培养皿表面绘制出所设计的图案，磁铁可以很好的用铁盒定位，且可以购得标准尺寸，将其放置在用热熔胶绘制出的相应管道出口处将可以形成三维的可以一体化成型的模板；

2、制备出的芯片便携性好，可以携带到课堂进行理实一体化教学，方便同学及时理解教学内容，与目前的教学方法比较显然更能够让同学直观的观察到现象；

3、制备后获得的芯片还可以通过热溶胶再次拷贝形貌，制备新的模板，从而使得芯片能够大规模的进行生产，可以进一步降低成本。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例一中微芯片的结构示意图；

图2为实施例一中微芯片的制备过程图；

图3为实施例二中微芯片的结构示意图；

图4为实施例二中微芯片的制备过程图；

图5为实施例三中微芯片的结构示意图；

图6为图5中A-A方向的剖视图；

图7为实施例三中微芯片的制备过程图；

图中：进样管道1；进样口10；进水管道2；进水口20；交汇管道3；横向管道30；纵向管道31；出样管道4；储液槽5；前槽50；后槽51；阻隔部52；薄层片510；芯片本体6；培养皿7；PDMS下底片8；第一进样管道1'；第二进样管道2'；第一进样口10'；第二进样口20'；PDMS上盖片8'。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1-7，本发明提供一种教学用微芯片的制备方法，采用热熔胶、培养皿、磁铁石为模板，用聚二甲基硅橡胶(即PDMS)制备，包含如下步骤：

1)在培养皿中设计好管道的位置，用热熔胶在相应管道处刻画出凸起的管道模型，等其凝固；

2)将培养皿放置在铁盒表面，在管道的出口处放置磁铁石，完成具有三维空间结构的模板；

3)将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合倒入培养皿中，烘干；

4)烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离，去除磁铁石；

5)使用另外一块PDMS下底片封接步骤4中PDMS胶体的表面，得到芯片本体。

实施例一

如图1-2所示，为一种用于朗伯-比尔定律教学用的微芯片，其包括芯片本体6，芯片本体6内设有进样管道1和进水管道2，进样管道1的入口设有进样口10，进水管道2的入口设有进水口20，一定浓度的高锰酸钾和纯水可分别从进样口10和进水口20注射至进样管道1和进水管道2内，高锰酸钾和纯水混合后通过交汇管道3进入四个出样管道4内，且任一个所述出样管道的出口依次连通有多个不同厚度的储液槽5，交汇管道3由两个横向管道30及位于横向管道之间的纵向管道31相互连通而组成，上端横向管道与进样管道1和进水管道2相连通，下端横向管道与出样管道4相连通；本设计中，在每一个出样管道4的出口连接的储液槽5的数量均为三个，从而在四个出样管道的出口下方形成三行四列的储液槽，且每一个出样管道下方储液槽的厚度依次递增，可分别设置为2mm、4mm、6mm，因高锰酸钾与纯水混合后再通过交汇管道分别到达出样管道的出口经历的行程不同，从而可在出样管道内形成不同浓度梯度的高锰酸钾溶液。

使用朗伯-比尔定律微芯片用于教学的原理如下：将一定浓度的高锰酸钾和纯水分别从进样口10和进水口20注射至进样管道1和进水管道2内，从而在四个出样管道4的出口形成高锰酸钾的浓度梯度，同时，在任一个出样管道4的出口处，依次排列的储液槽5将形成不同厚度的吸收池，使用单色光照射高锰酸钾溶液，由于高锰酸钾溶液对单色光的吸收情况，因不同浓度梯度以及不同吸收池厚度的不同，颜色上会呈现深浅的变化，从而通过这一微芯片帮助同学理解不同溶液的吸光度与溶液浓度和吸收池厚度成正比关系。

参照图2，制备上述朗伯-比尔定律微芯片的过程如下：

1)在底部平整的方形塑料培养皿7中设计好进样管道、进水管道、交汇管道和出样管道的位置，用热熔胶在培养皿中的相应管道处刻画出凸起的管道模型，即用热熔胶沿管道的形状进行涂覆，等其凝固；

2)在每一个出样管道出口依次放置三组不同数量的磁铁石，其排布是从出样管道出口至远离出口的方向分别是1块、2块和3块磁铁石的累积，这三组磁铁石之间用热熔胶连通；培养皿的下方可放置在铁盒表面，从而通过磁力作用固定磁铁石的位置，完成具有三维空间结构的模板；

3)将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合均匀倒入培养皿中，超过最高的磁铁石所在的表面，静置排尽气泡后，在60℃的温度下烘干两个小时；

4)将烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离下来，去除磁铁石；

5)使用另外一块PDMS下底片8封接贴紧在步骤4中PDMS胶体的下表面，得到芯片本体，即可用于实验，制备好的芯片本体能通过热溶胶拷贝形貌制备新的模板，保证芯片的重现性。

实施例二

如图3-4所示，为一种用于化学反应速率教学用的微芯片，包括芯片本体6，所述芯片本体6内设有进样管道1和进水管道2，进样管道1入口设有进样口10，所述进水管道2入口设有进水口20，所述进样管道1和进水管道2通过交汇管道与其下端的五个出样管道4相连通，任一个所述出样管道4的出口均设有两个连通的储液槽5，从而储液槽在出样管道的出口处呈两行五列排布，且任一个所述储液槽的厚度均相同，下端的一行储液槽集成有可用电池加热的加热元件9，本设计中的加热元件采用加热片，加热元件9对下端的储液槽5进行加热，从而在上端储液槽和下端储液槽之间形成温度梯度；所述交汇管道由三个横向管道30以及位于横向管道之间的多个纵向管道31相互连通而构成，三个所述横向管道30由上至下依次排布，上端与中间的横向管道之间设有三个纵向管道31，中间与下端的横向管道之间设有四个纵向管道31，上端的横向管道与进样管道1和进水管道2相连通，下端的横向管道与出样管道4相连通。

使用本发明提供的微芯片演示化学反应速率的原理如下：将0.5mol/L的硫代硫酸钠溶液和纯水分别从进样口10和进水口20注射至进样管道1和进水管道2内，硫代硫酸钠溶液和纯水混合后通过交汇管道流入出样管道4内，因硫代硫酸钠溶液与纯水混合后通过交汇管道分别到达各个出样管道4所经历的行程不同，从而在五个出样管道4内形成不同浓度梯度的硫代硫酸钠溶液，同时，在任一个出样管道的出口处，依次排列的储液槽5将形成不同温度的吸收池。而在各组储液槽内事先加入0.1mol/L的硫酸溶液，这样在各槽内将发生如下反应：

Na₂S₂O₃+H₂SO₄＝＝Na₂SO₄+S↓+SO₂+H₂O

因为任一个出样管道4出口处的储液槽内硫代硫酸钠溶液浓度和槽的温度不同，从而可以观察到各行中硫代硫酸钠浓度大的出现硫沉淀的速度快，同时各列中加热后的储液槽内出现硫沉淀的速度快，通过观察同学将轻易得出化学反应速率与浓度和温度的关系。

参照图4，制备上述化学反应速率微芯片的过程如下：

1)在底部平整的方形塑料培养皿中设计好进样管道、进水管道、交汇管道和出样管道的位置，用热熔胶在培养皿中的相应管道处刻画出凸起的管道模型，即用热熔胶沿管道的形状进行涂覆，等其凝固；

2)在每一个出样管道出口依次放置两块厚度相同的磁铁石，这两块磁铁石之间用热熔胶连通；培养皿的下方可放置在铁盒表面，从而通过磁力作用固定磁铁石的位置，完成具有三维空间结构的模板；

3)将PDMS胶按照单体：固化剂＝10:1的重量比例配好，混合均匀倒入培养皿中，超过磁铁石所在的表面，静置排尽气泡后，在60℃的温度下烘干两个小时；

4)将烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离下来，去除磁铁石；

5)使用另外一块集成加热片的PDMS下底片8封接贴紧在芯片本体的下表面，保证加热片对准最下端的储液槽，从而形成芯片本体，在进样口和进水口等处打孔，即可用于实验，制备好的芯片本体能通过热溶胶拷贝形貌制备新的模板，保证芯片的重现性。

实施例三

参照图5-7，为一种用于薄层层析教学用的微芯片，其包括芯片本体6，所述芯片本体6内设有第一进样管道1'和第二进样管道2'，第一进样管道1'入口设有第一进样口10'，第二进样管道2'入口设有第二进样口20'，所述第一进样管道1'和第二进样管道2'通过交汇管道3与其下端的五个出样管道4连通，每一个出样管道4的出口均连通有储液槽5，从而储液槽5在出样管道4的出口处呈一行五列排布，所述储液槽5为中部设有阻隔部52的双槽结构，即储液槽被阻隔部52分隔成相连通的前槽50和后槽51，后槽51为远离出样管道4出口的方向；所述交汇管道3由三个横向管道30以及位于横向管道之间的多个纵向管道31相互连通而构成，三个所述横向管道30由上至下依次排布，上端与中间的横向管道之间设有三个纵向管道31，中间与下端的横向管道之间设有四个纵向管道31，上端的横向管道30与第一进样管道1和第二进水管道2相连通，下端的横向管道30与出样管道4相连通。

使用本发明提供的微芯片演示薄层层析法的原理如下：将氯仿和乙醇分别由第一进样口10和第二进样口20注射至第一进样管道1和第二进样管道2内，氯仿和乙醇混合后通过交汇管道流入出样管道4内，因氯仿和乙醇混合后通过交汇管道分别达到各个出样管道所经历的行程不同，从而在五个出样管道4内形成不同比例的氯仿和乙醇的混合展开剂；同时，在各组储液槽的后槽51内事先加入点有偶氮苯的薄层片510，上述不同比例的氯仿和乙醇的混合展开剂在到达出样管道的出口后进入储液槽的前槽50，饱和20分钟后拿起微芯片向下倾斜将混合展开剂倒入后槽51中，从而从后槽的展开结果便可以看到不同比例的混合展开剂对样品展开的比移值R_f值的影响。

参照图7，制备上述薄层层析法微芯片的过程如下：

a)在底部平整的方形塑料培养皿7中设计好进样管道、进水管道、交汇管道和出样管道的位置，用热熔胶在培养皿中的相应管道处刻画出凸起的管道模型，即用热熔胶沿管道的形状进行涂覆，等其凝固；

b)在每一个出样管道4出口分别放置一块相同厚度的磁铁石，用于形成储液槽，培养皿的下方可放置在铁盒表面，从而通过磁力作用固定磁铁石的位置，完成具有三维空间结构的模板；

c)将PDMS胶按照单体：固化剂＝10:1的重量比例配好，混合均匀倒入培养皿中，超过磁铁石所在的表面，静置排尽气泡后，在60℃的温度下烘干两个小时；

d)将步骤c中烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离下来，去除磁铁石，获得PDMS基的管道片；

e)采用热熔胶锅加热热熔胶，静置尽可能排出热熔胶内的气泡后将熔化后的热熔胶倾倒在步骤d中PDMS管道片的各个管道和储液槽中；

f)待步骤e中热熔胶凝固后剥离，拷贝出三维模型，形成热熔胶基的阳模，并在形成储液槽三维模型的端部用小刀向内切割部分材料，便于形成阻隔部；上述过程也可以采用水晶硬胶代替热熔胶；

g)热熔胶基的阳模放入培养皿中，再次将PDMS胶按照单体：固化剂＝10:1的重量比例配好，混合均匀倒入培养皿中；

h)待步骤g中PDMS胶固化后剥离，获得具有双槽结构的最终所需的PDMS基的管道片；

i)使用另外一块PDMS上盖片8'封接贴紧在步骤h中获得的PDMS基的管道片的表面，得到芯片本体6，在上盖片上打孔后，即可用于实验。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种教学用微芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在培养皿中设计好管道的位置，用热熔胶在相应管道处刻画出凸起的管道模型，等其凝固；

2)将培养皿放置在铁盒表面，在管道的出口处放置磁铁石，完成具有三维空间结构的模板；

3)将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合倒入培养皿中，烘干；

4)烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离，去除磁铁石；

5)使用另外一块PDMS下底片封接步骤4中PDMS胶体的表面，得到芯片本体。

2.一种教学用微芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)在培养皿中设计好管道的位置，用热熔胶在相应管道处刻画出凸起的管道模型，等其凝固；

b)将培养皿放置在铁盒表面，在管道的出口处放置磁铁石，完成具有三维空间结构的模板；

c)将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合倒入培养皿中，烘干；

d)烘干完成的PDMS胶体从培养皿中剥离，去除磁铁石；

e)加热热熔胶，将熔化后的热熔胶倾倒在步骤d中PDMS胶体中；

f)待热熔胶凝固后剥离，拷贝出三维模型，形成热熔胶的阳模，使用刀片将三维模型上用于形成阻隔部的材料去除；

g)步骤f中热熔胶的阳模放入培养皿中，再次将PDMS胶按照单体：固化剂＝1:10的重量比例配好，混合倒入培养皿中；

h)待步骤g中PDMS胶固化后剥离，获得最终所需的PDMS管道片；

i)使用另外一块PDMS上盖片封接贴紧在步骤h中PDMS胶体的表面，得到芯片本体。