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，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行微流控芯片毛細管電泳的實驗，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。“因為當(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。”

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?，F(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。“要讓微流體聽你的話，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)時團隊正在進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/單細胞分析、高通量篩選、微量細胞實驗、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?！狈饺航淌诒硎荆诒姸郤ODA的應(yīng)用中，他尤其看好單細胞分析、高通量篩選和家庭實驗室這三大應(yīng)用。

單細胞分析

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)天生適合做單細胞操縱和分析，SODA系統(tǒng)也不例外。單細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，共同進行單細胞蛋白質(zhì)組的研究?！拔覀兝肧ODA系統(tǒng)進行超微量單細胞樣品的復(fù)雜預(yù)處理和進樣，在納升級水平完成了單細胞的微液滴包裹、細胞膜破碎、細胞蛋白質(zhì)釋放、蛋白質(zhì)還原和烷基化、兩步酶解、毛細管色譜柱進樣，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胞操作集成進行，如單細胞分選、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?！?/p>

“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，所以我們現(xiàn)在非常想去推進。”

“我們希望達到的目標(biāo)是，吸取一滴血，就可以進行生化、核酸、免疫和細胞等多類指標(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，對其進行定量量取和精準(zhǔn)操控很有難度。”

目前，方群教授團隊已經(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。”方群教授表示，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胞分析平臺、高通量篩選平臺、自動化核酸分析儀、高速毛細管電泳分析儀、手持式激光誘導(dǎo)熒光檢測器、小型流式細胞儀等，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。