一种化学反应速率教学用微芯片的制作方法

本实用新型涉及化学教学器具技术领域，具体涉及一种基于微流控芯片技术制作的化学反应速率教学用微芯片。

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。

如化学反应速率是重要的化学教学内容，但是相对而言其知识较为枯燥和抽象，虽然可以通过一定的实际例子等让同学理解浓度、温度、压力、催化剂对化学反应速率的影响，但是不够具体形象。因此设计出一款化学反应速率教学用的微芯片，构建出浓度梯度和温度梯度，选择合适的反应体系，从而直观的让学生理解到浓度和温度对化学反应速率的影响，是非常有意义的。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是设计出一种便携的、可以在课堂上直接演示化学反应速率原理的微芯片，达到更好的教学效果。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种化学反应速率教学用微芯片，包括芯片本体，所述芯片本体内设有进样管道和进水管道，所述进样管道和进水管道通过交汇管道与其下端的若干个出样管道相连通，任一个所述出样管道的出口均设有两个连通的储液槽。

进一步的，所述出样管道的数量为五个，所述储液槽在出样管道的出口处呈两行五列排布。

进一步的，五个所述出样管道内可形成不同浓度梯度的硫代硫酸钠溶液。

进一步的，下端储液槽集成有可用电池加热的加热元件。

进一步的，任一个所述储液槽的厚度均相同。

进一步的，所述交汇管道由三个横向管道以及位于横向管道之间的多个纵向管道相互连通而构成。

进一步的，所述进样管道入口设有进样口，所述进水管道入口设有进水口。

本实用新型的有益效果在于：

1、本芯片通过浓度梯度芯片和集成加热元件从而在微芯片上构建浓度梯度和温度梯度，选择适合的反应体系可以方便的让学生理解到浓度和温度对化学反应速率的影响，直观的观察到现象，达到更好的教学效果。

2、制作成本低廉，无需任何大型仪器设备，方便进行大规模生产，满足教学使用，同时可在普通实验室进行设计加工，无需特制仪器设备，方便教师乃至学生对相关装置进行制作。

3、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。

4、相比较打印模板法该方法获得的芯片管道宽，演示区域大，现象更明显。同时实现了打印模板法制备的芯片难以制备的具有三维结构的芯片。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型微芯片的结构及其制备过程做进一步详细的说明，从而帮助本领域技术人员进一步理解本设计提供的微芯片。

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为本实用新型微芯片的示意图；

图2为微芯片的制备过程示意图；

图中：进样管道1；进水管道2；横向管道30；纵向管道31；出样管道4；储液槽5；芯片本体6；培养皿7；PDMS下底片8；加热元件9；进样口10；电池11；进水口20。

具体实施方式

如图1所示，为本设计提供的用于化学反应速率的教学用微芯片的示意图，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。

使用本实用新型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。

在制备上述化学反应速率教学用的微芯片的过程中，本课题组采用过多种方法，所采用的方法为打印模板法、焊锡丝-面粉混合模板法，打印模板该方法所用设备简单且效果明显，有一定的实用价值，但是限于打印机的限制其演示区域较薄，现象不是很明显，且只能获得二维图形，没有获得三维厚度的能力。焊锡丝-面粉混合模板法模板易被破坏，是一次性模板，焊锡丝不易固定，这些方法均有一定缺陷。

针对上述的缺陷，本实用新型中的微芯片采用热熔胶、培养皿、磁铁石为模板，用聚二甲基硅橡胶(即PDMS)制备，参照图2，制备方法如下：

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。

以上示意性的对本实用新型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实用新型的实施方式之一，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，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，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，均应属于本实用新型的保护范围。