訪浙江大學(xué)化學(xué)系微分析系統(tǒng)研究所方群教授

微流控芯片（亦稱芯片實驗室）技術(shù)是指在方寸大小的微芯片上加工微通道網(wǎng)絡(luò)，通過對通道內(nèi)微流體的操縱和控制，實現(xiàn)化學(xué)和生物實驗室的功能。自上世紀(jì)90年代興起以來，微流控芯片技術(shù)研究取得了快速發(fā)展，被列為21世紀(jì)最為重要的前沿技術(shù)之一，被認(rèn)為有可能為生命科學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究帶來顛覆性改變。近年來，微流控芯片技術(shù)不斷引來相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注，有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，微流控應(yīng)用的春天來了。那么，微流控技術(shù)發(fā)展即將進(jìn)入全新階段了嗎?帶著這些問題，儀器信息網(wǎng)特別專訪了浙江大學(xué)化學(xué)系微分析系統(tǒng)研究所方群教授，請這位在微流控領(lǐng)域深耕二十余年的學(xué)者談?wù)勊麑ξ⒘骺丶夹g(shù)發(fā)展的看法以及他們團(tuán)隊的最新研究成果。

緣起：20年微流控科研旅程

很幸運，微流控技術(shù)起源于分析化學(xué)。1990年，瑞士有一位叫Manz的分析化學(xué)家在《Sensors and Actuators B: Chemical》創(chuàng)刊期發(fā)表了一篇概念性的文章，提出了“微全分析系統(tǒng)”（Miniaturized total analysis systems, μTAS）的概念?！八?dāng)時的想法就是在一個微加工的芯片上加工很多微通道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這些微結(jié)構(gòu)中進(jìn)行取樣、樣品前處理、分離、檢測等所有步驟，將所有操作過程都集成到芯片上進(jìn)行”方群教授向儀器信息網(wǎng)介紹道。

1992年，Manz與加拿大的Harrison合作，共同研發(fā)設(shè)計了一款具有十字通道構(gòu)型的玻璃芯片，并基于此實現(xiàn)了氨基酸的高速毛細(xì)管電泳分離。這個時候微全分析系統(tǒng)的概念才真正落地。后來人們查找早期的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在1979年美國斯坦福大學(xué)的Terry等人曾在《IEEE Transactions on Electron Devices》上報道過在硅片上集成加工微型氣相色譜空氣分析儀，但當(dāng)時這個工作沒有引起很大反響。反而是基于微全分析系統(tǒng)的概念，發(fā)展出了現(xiàn)在廣為人知的微流控芯片技術(shù)。目前，微流控芯片可以簡單定義為在加工有微通道網(wǎng)絡(luò)的微芯片上，通過對通道內(nèi)的微流體進(jìn)行操控，完成化學(xué)或生物實驗室的功能。由此可見，微流控芯片技術(shù)起源于分析化學(xué)技術(shù)與微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的結(jié)合，具有鮮明的學(xué)科交叉特色，已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、材料科學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。

90年代中期，國內(nèi)學(xué)者敏銳捕捉到了這一研究動向，并緊追國際前沿。方肇倫院士是國內(nèi)第一批從事微流控技術(shù)研究的學(xué)者。早在1995年以前，方肇倫院士就開始關(guān)注微全分析系統(tǒng)研究方向。1996年，他在中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所的研究組開始嘗試進(jìn)行微流控芯片毛細(xì)管電泳的實驗，同年他調(diào)入東北大學(xué)化學(xué)系組建分析科學(xué)中心，正式開展微流控芯片研究。2000年，方肇倫院士在浙江大學(xué)成立了微分析系統(tǒng)研究所，專注做微流控分析技術(shù)的研究。

1998年，方群教授博士畢業(yè)后，曾在東北大學(xué)分析科學(xué)中心實驗室從事了半年微流控毛細(xì)管電泳技術(shù)的研究工作。1999年，方群教授從香港浸會大學(xué)回到浙江大學(xué)加入微分析系統(tǒng)研究所，繼續(xù)開展微流控技術(shù)的研究至今。

切入：試樣引入到多相微流控

國外已有先行者，國內(nèi)研究尚未起步。在沒有底子的情況下，是去模仿國外同行，還是圍繞難點自主研發(fā)？模仿只能追趕，自主研發(fā)卻有可能超越?！耙驗楫?dāng)時國際上已有先行者，而做基礎(chǔ)研究需要有原創(chuàng)性，所以我們放棄了模仿的想法。”方群教授回憶說。

據(jù)方群教授回憶，當(dāng)年在選擇研究方向時，有一個問題引起了他的注意：在做多個樣品高通量篩選或者高速分析的時候，缺乏能夠不斷引入不同樣品的方法。彼時，這個問題并不為大多數(shù)學(xué)者所關(guān)注，但無疑解決這個問題是很有價值的。

經(jīng)過慎重考慮，方群教授最終選擇以“試樣引入”作為發(fā)力點切入微流控領(lǐng)域，并正式開始微流控技術(shù)的研究。在建所兩年時，他們的研究成果首次在國際分析化學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威期刊《Analytical Chemistry》上發(fā)表，這也是我國學(xué)者發(fā)表在該期刊上的第一篇關(guān)于微流控芯片技術(shù)的文章。

“最初，我的預(yù)想是在幾年內(nèi)就全部‘吃透’試樣引入這個研究方向，然后就可以換方向做點別的。但隨著研究組對試樣引入研究的加深，逐漸發(fā)現(xiàn)這個方向很重要，有很多問題需要解決，在解決這些問題過程中，我們對微流控技術(shù)的理解也越來越深入。這個方向就一直做下來了，如今已經(jīng)成為研究組開展各種拓展工作的基石?！?/p>

近十年，方群教授主要從事多相微流控技術(shù)研究，該技術(shù)是微流控分析領(lǐng)域的新一代前沿技術(shù)之一。何為多相微流控？這其實是針對“單相”來說的。多相微流控學(xué)，是利用多相微流體的物理化學(xué)特性和尺度效應(yīng)，在微通道或者微結(jié)構(gòu)中進(jìn)行多相微功能單元（如微液滴、微顆粒、微氣泡等）的生成、操控、反應(yīng)、分析、篩選等操作的技術(shù)和科學(xué)。方群教授介紹說：“簡單來說，單相是指在微通道里面只有互溶的水溶液。現(xiàn)在大家研究比較多的‘油包水’的液滴其實就是多相體系的一種，又叫液滴微流控系統(tǒng)”。

頓悟：驀然回首，那人卻在燈火闌珊處

“控”是微流控技術(shù)的精髓與核心?！耙屛⒘黧w聽你的話，就要通過各種“控”的方法去精準(zhǔn)地操縱它們來完成實驗室的各項工作?！?/p>

目前，微流控芯片研究比較注重芯片的專用化，所采用的微流體操控方法也是多種多樣。但如果過分強調(diào)芯片系統(tǒng)的專用化，一方面會使微流控芯片品類繁多，導(dǎo)致使用人員不便選擇與使用。另一方面會造成整體微流控系統(tǒng)難以集成，實驗操作復(fù)雜。那么，如何以相對少的硬件系統(tǒng)，適應(yīng)更多不同的應(yīng)用場景呢？

這個問題一直縈繞在方群教授腦海中。他的研究組也一直在嘗試不同的路徑和方法，試圖找到這么一個通用又靈活的微流控技術(shù)。方群教授終于找到了，但他沒想到的是，這項技術(shù)竟源自當(dāng)時團(tuán)隊正在進(jìn)行的基于微流控液滴的高通量篩選工作。

當(dāng)時，研究組正在搭建基于毛細(xì)管探針和液滴陣列的自動化高通量篩選平臺，在平臺的應(yīng)用過程中越來越顯示出其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，驀然發(fā)現(xiàn)“沒想到辛苦找尋已久的技術(shù)竟然就在自己身邊?！狈饺航淌谂d致勃勃講到：“經(jīng)過一番提煉和改造，這套技術(shù)就成型了!”

方群教授給這套技術(shù)命名為序控液滴陣列技術(shù)（Sequential Operation Droplet Array），英文簡稱SODA。他表示，之所以起這個名字，一是為了致敬給自己確立研發(fā)目標(biāo)帶來靈感的順序注射分析（Sequential Injection Analysis）技術(shù)，二是因為這個名字諧音英文“蘇打水”，好記易推廣。

第三代SODA儀器

利器：看好SODA這三大應(yīng)用場景

靈活操控微量流體是SODA系統(tǒng)最為突出的優(yōu)點。SODA系統(tǒng)能夠通過吸-點-移三個單元操作的靈活組合，在皮升精度水平自動化地完成多步復(fù)雜的液滴操控，包括液滴生成、轉(zhuǎn)移、融合、分裂、尋址、分選等。

極佳的系統(tǒng)通用性和兼容性是SODA系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢。目前，SODA系統(tǒng)已應(yīng)用于單分子/單細(xì)胞分析、高通量篩選、微量細(xì)胞實驗、微量樣品分析、現(xiàn)場分析等多個領(lǐng)域。此外，SODA系統(tǒng)的半開放特性使其能夠方便地與液相色譜、毛細(xì)管電泳和質(zhì)譜設(shè)備兼容使用。

“隨著我們對SODA技術(shù)的研究不斷深入下去，越發(fā)覺得這套系統(tǒng)功能強大，能夠完成很多任務(wù)，尤其適合在超微量樣品和試劑消耗下開展多種類、大規(guī)模的分析和篩選，以及進(jìn)行復(fù)雜、多步驟的微量樣品處理和分析，因此非常值得大力推廣?！?/p>

“SODA可以提供一種不同于現(xiàn)有微流控技術(shù)的微流體操控技術(shù)，有望為化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究提供重要的平臺工具?！狈饺航淌诮榻B說。

“我們很想把SODA做成一套成熟的系統(tǒng)化的裝置，然后從眾多應(yīng)用中選擇若干突破口，真正實現(xiàn)SODA儀器的產(chǎn)品化。這是我們目前的一個重點研發(fā)方向?！狈饺航淌诒硎?，在眾多SODA的應(yīng)用中，他尤其看好單細(xì)胞分析、高通量篩選和家庭實驗室這三大應(yīng)用。

單細(xì)胞分析

微流控學(xué)是在微米級結(jié)構(gòu)中操控流體的技術(shù)和科學(xué)，而細(xì)胞的粒徑在數(shù)微米到數(shù)十微米之間，所以微流控系統(tǒng)天生適合做單細(xì)胞操縱和分析，SODA系統(tǒng)也不例外。單細(xì)胞研究對于目前生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究和臨床診療意義重大。

2014年，方群教授與國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心的黃超蘭研究員合作，共同進(jìn)行單細(xì)胞蛋白質(zhì)組的研究?！拔覀兝肧ODA系統(tǒng)進(jìn)行超微量單細(xì)胞樣品的復(fù)雜預(yù)處理和進(jìn)樣，在納升級水平完成了單細(xì)胞的微液滴包裹、細(xì)胞膜破碎、細(xì)胞蛋白質(zhì)釋放、蛋白質(zhì)還原和烷基化、兩步酶解、毛細(xì)管色譜柱進(jìn)樣，再配合后續(xù)的色譜分離和質(zhì)譜檢測，實現(xiàn)了在單細(xì)胞水平上的蛋白質(zhì)分析和鑒定。2018年這個研究成果發(fā)表在《Analytical Chemistry》上。

與現(xiàn)有方法相比，SODA在降低單細(xì)胞樣品預(yù)處理過程中的損失方面具有明顯優(yōu)勢，這個結(jié)果也給了我們很大信心，它有可能解決單細(xì)胞樣品預(yù)處理方面長期存在的瓶頸問題，也有可能將多種單細(xì)胞操作集成進(jìn)行，如單細(xì)胞分選、液滴包裹、培養(yǎng)、刺激、多組學(xué)(如基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等)分析等?！?/p>

高通量篩選

傳統(tǒng)的高通量篩選系統(tǒng)樣品和試劑的消耗通常在微升級。多數(shù)的微流控液滴系統(tǒng)適合生成大量的來自于單一樣品的液滴，當(dāng)需要生成大量不同樣品來源的微液滴時，上述的液滴生成方式則行不通。針對這個問題，方群教授研究組基于SODA技術(shù)，研制了多款應(yīng)用于分子/細(xì)胞水平藥物篩選和蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選的高通量篩選平臺。在針對大規(guī)模樣品的高通量篩選中，其試樣/試劑消耗較文獻(xiàn)報道的系統(tǒng)及商品化儀器有明顯優(yōu)勢。此外，在已經(jīng)完成了基于單根探針的SODA系統(tǒng)基礎(chǔ)上，他們正在加快研發(fā)基于12根探針的超高通量SODA系統(tǒng)以實現(xiàn)超高通量篩選的目的。

家庭實驗室

在講到家庭實驗室(Lab at Home)想法時，方群教授以計算機的發(fā)展做了類比。計算機的發(fā)展經(jīng)歷了巨型化、臺式機化、筆記本電腦化、網(wǎng)絡(luò)化和智能手機化等發(fā)展階段，如今深刻影響著每個人的生活。方群教授表示，分析儀器也可以像計算機一樣，最終進(jìn)入尋常百姓家。

“我們研究微流控的最終目的是要讓微流控分析產(chǎn)品走近老百姓，走進(jìn)千家萬戶，就像手機一樣普及到每個家庭。這個概念類似于POCT(現(xiàn)場檢測)，但又與POCT有所不同。家庭檢測設(shè)備對儀器的自動化、集成化和通用性有很高的要求，此外還要求儀器和檢測的成本要比較低。但對儀器的微型化和便攜化要求則比POCT要低。”

“如果能將生物和化學(xué)分析儀器普及到每個家庭，那么每個家庭都將成為大數(shù)據(jù)的一個產(chǎn)生源點，將這些數(shù)據(jù)匯集，將會給大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)或者人工智能提供非常豐富的生物和化學(xué)數(shù)據(jù)支撐，而這是目前非常缺乏的?！闭劦竭@里時方群教授非常激動，他表示：“做這個很難，但長期看這是一定要做的?？偟糜腥俗?，總得有人開始去做。而SODA技術(shù)就其特點來說，很有可能為此做出貢獻(xiàn)，所以我們現(xiàn)在非常想去推進(jìn)?！?/p>

“我們希望達(dá)到的目標(biāo)是，吸取一滴血，就可以進(jìn)行生化、核酸、免疫和細(xì)胞等多類指標(biāo)的檢測?！薄捌鋵嵾@里面有許多難題，一滴血體積很小，只有30-50微升，另外血液很粘稠且成分復(fù)雜，對其進(jìn)行定量量取和精準(zhǔn)操控很有難度?！?/p>

目前，方群教授團(tuán)隊已經(jīng)完成一款基于SODA技術(shù)，并且適用于家庭實驗室場景的自動化核酸分析原理樣機。該儀器可以自動化進(jìn)行樣本的核酸提取、逆轉(zhuǎn)錄和實時PCR定量分析，完成一個樣品中6個流感指標(biāo)的檢測，且成本較市售類似產(chǎn)品大幅降低。最近，他們還實現(xiàn)了針對一滴血樣品的自動化血漿分離與定量稀釋，以及后續(xù)的血糖和膽固醇分析。

“從目前來看，SODA技術(shù)在進(jìn)行微量樣品的多步復(fù)雜操作方面很有優(yōu)勢，我們也很有信心?！狈饺航淌诒硎?，希望與有情懷、有眼光和有能力的廠商合作，共同實現(xiàn)儀器的產(chǎn)業(yè)化，供大家使用。

后記

微流控領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了30年，最近該領(lǐng)域又頻現(xiàn)新的突破。有專家評論，微流控的春天來了。方群教授深以為然，“我確實深有同感，非常同意這句話?！?/p>

方群教授團(tuán)隊在微流控分析儀器研制方面，成果非常豐富。已研制的儀器有單細(xì)胞分析平臺、高通量篩選平臺、自動化核酸分析儀、高速毛細(xì)管電泳分析儀、手持式激光誘導(dǎo)熒光檢測器、小型流式細(xì)胞儀等，目前均已供實驗室內(nèi)部使用，部分還提供給相關(guān)合作單位使用。