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“控”是微流控技术的精髓,“SODA”系统大有可为——访浙江大学化学系微分析系统研究所方群教授

仪器信息网 2020/05/11 09:43:36 点击 2320 次
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[导读] 自上世纪90年代兴起以来,微流控芯片技术研究取得了快速发展,被列为21世纪最为重要的前沿技术之一,被认为有可能为生命科学的基础和应用研究带来颠覆性改变。

  微流控芯片(亦称芯片实验室)技术是指在方寸大小的微芯片上加工微通道网络,通过对通道内微流体的操纵和控制,实现化学和生物实验室的功能。自上世纪90年代兴起以来,微流控芯片技术研究取得了快速发展,被列为21世纪最为重要的前沿技术之一,被认为有可能为生命科学的基础和应用研究带来颠覆性改变。近年来,微流控芯片技术不断引来相关领域学者的关注,有业内专家认为,微流控应用的春天来了。那么,微流控技术发展即将进入全新阶段了吗?带着这些问题,仪器信息网特别专访了浙江大学化学系微分析系统研究所方群教授,请这位在微流控领域深耕二十余年的学者谈谈他对微流控技术发展的看法以及他们团队的最新研究成果。

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  方群教授 浙江大学微分析系统研究所

  缘起:20年微流控科研旅程

  很幸运,微流控技术起源于分析化学。1990年,瑞士有一位叫Manz的分析化学家在“Sensors and Actuators B: Chemical”创刊期发表了一篇概念性的文章,提出了“微全分析系统”(Miniaturized total analysis systems, μTAS)的概念。“他当时的想法就是在一个微加工的芯片上加工很多微通道的网络结构,在这些微结构中进行取样、样品前处理、分离、检测等所有步骤,将所有操作过程都集成到芯片上进行”方群教授向仪器信息网介绍道。

  1992年,Manz与加拿大的Harrison合作,共同研发设计了一款具有十字通道构型的玻璃芯片,并基于此实现了氨基酸的高速毛细管电泳分离。这个时候微全分析系统的概念才真正落地。后来人们查找早期的文献,发现在1979年美国斯坦福大学的Terry等人曾在“IEEE Transactions on Electron Devices”上报道过在硅片上集成加工微型气相色谱空气分析仪,但当时这个工作没有引起很大反响。反而是基于微全分析系统的概念,发展出了现在广为人知的微流控芯片技术。目前,微流控芯片可以简单定义为在加工有微通道网络的微芯片上,通过对通道内的微流体进行操控,完成化学或生物实验室的功能。由此可见,微流控芯片技术起源于分析化学技术与微机电系统(Microelectromechanical systems, MEMS)技术的结合,具有鲜明的学科交叉特色,已广泛应用于化学、生物学、医学、药学、材料科学、食品科学、环境科学等领域。

  90年代中期,国内学者敏锐捕捉到了这一研究动向,并紧追国际前沿。方肇伦院士是国内第一批从事微流控技术研究的学者。早在1995年以前,方肇伦院士就开始关注微全分析系统研究方向。1996年,他在中科院沈阳应用生态研究所的研究组开始尝试进行微流控芯片毛细管电泳的实验,同年他调入东北大学化学系组建分析科学中心,正式开展微流控芯片研究。2000年,方肇伦院士在浙江大学成立了微分析系统研究所,专注做微流控分析技术的研究。

  1998年,方群教授博士毕业后,曾在东北大学分析科学中心实验室从事了半年微流控毛细管电泳技术的研究工作。1999年,方群教授从香港浸会大学回到浙江大学加入微分析系统研究所,继续开展微流控技术的研究至今。

  切入:试样引入到多相微流控

  国外已有先行者,国内研究尚未起步。在没有底子的情况下,是去模仿国外同行,还是围绕难点自主研发?模仿只能追赶,自主研发却有可能超越。“因为当时国际上已有先行者,而做基础研究需要有原创性,所以我们放弃了模仿的想法。”方群教授回忆说。

  据方群教授回忆,当年在选择研究方向时,有一个问题引起了他的注意:在做多个样品高通量筛选或者高速分析的时候,缺乏能够不断引入不同样品的方法。彼时,这个问题并不为大多数学者所关注,但无疑解决这个问题是很有价值的。

  经过慎重考虑,方群教授最终选择以“试样引入”作为发力点切入微流控领域,并正式开始微流控技术的研究。在建所两年时,他们的研究成果首次在国际分析化学领域的权威期刊“Analytical Chemistry”上发表,这也是我国学者发表在该期刊上的第一篇关于微流控芯片技术的文章。

  “最初,我的预想是在几年内就全部‘吃透’试样引入这个研究方向,然后就可以换方向做点别的。但随着研究组对试样引入研究的加深,逐渐发现这个方向很重要,有很多问题需要解决,在解决这些问题过程中,我们对微流控技术的理解也越来越深入。这个方向就一直做下来了,如今已经成为研究组开展各种拓展工作的基石。”

  近十年,方群教授主要从事多相微流控技术研究,该技术是微流控分析领域的新一代前沿技术之一。何为多相微流控?这其实是针对“单相”来说的。多相微流控学,是利用多相微流体的物理化学特性和尺度效应,在微通道或者微结构中进行多相微功能单元(如微液滴、微颗粒、微气泡等)的生成、操控、反应、分析、筛选等操作的技术和科学。方群教授介绍说:“简单来说,单相是指在微通道里面只有互溶的水溶液。现在大家研究比较多的‘油包水’的液滴其实就是多相体系的一种,又叫液滴微流控系统”。

顿悟:蓦然回首,那人却在灯火阑珊处

  “控”是微流控技术的精髓与核心。“要让微流体听你的话,就要通过各种“控”的方法去精准地操纵它们来完成实验室的各项工作。”

  目前,微流控芯片研究比较注重芯片的专用化,所采用的微流体操控方法也是多种多样。但如果过分强调芯片系统的专用化,一方面会使微流控芯片品类繁多,导致使用人员不便选择与使用。另一方面会造成整体微流控系统难以集成,实验操作复杂。那么,如何以相对少的硬件系统,适应更多不同的应用场景呢?

  这个问题一直萦绕在方群教授脑海中。他的研究组也一直在尝试不同的路径和方法,试图找到这么一个通用又灵活的微流控技术。方群教授终于找到了,但他没想到的是,这项技术竟源自当时团队正在进行的基于微流控液滴的高通量筛选工作。

  当时,研究组正在搭建基于毛细管探针和液滴阵列的自动化高通量筛选平台,在平台的应用过程中越来越显示出其独特的优势和应用潜力,蓦然发现“没想到辛苦找寻已久的技术竟然就在自己身边。”方群教授兴致勃勃讲到:“经过一番提炼和改造,这套技术就成型了!”

  方群教授给这套技术命名为序控液滴阵列技术(Sequential Operation Droplet Array),英文简称SODA。他表示,之所以起这个名字,一是为了致敬给自己确立研发目标带来灵感的顺序注射分析(Sequential Injection Analysis)技术,二是因为这个名字谐音英文“苏打水”,好记易推广。

第三代SODA仪器(可分享图片).png

  第三代SODA仪器

  利器:看好SODA这三大应用场景

  灵活操控微量流体是SODA系统最为突出的优点。SODA系统能够通过吸-点-移三个单元操作的灵活组合,在皮升精度水平自动化地完成多步复杂的液滴操控,包括液滴生成、转移、融合、分裂、寻址、分选等。

  极佳的系统通用性和兼容性是SODA系统的另一大优势。目前,SODA系统已应用于单分子/单细胞分析、高通量筛选、微量细胞实验、微量样品分析、现场分析等多个领域。此外,SODA系统的半开放特性使其能够方便地与液相色谱、毛细管电泳和质谱设备兼容使用。

  “随着我们对SODA技术的研究不断深入下去,越发觉得这套系统功能强大,能够完成很多任务,尤其适合在超微量样品和试剂消耗下开展多种类、大规模的分析和筛选,以及进行复杂、多步骤的微量样品处理和分析,因此非常值得大力推广。”

  “SODA可以提供一种不同于现有微流控技术的微流体操控技术,有望为化学、生物、医学、药学等领域的基础与应用研究提供重要的平台工具。”方群教授介绍说。

  “我们很想把SODA做成一套成熟的系统化的装置,然后从众多应用中选择若干突破口,真正实现SODA仪器的产品化。这是我们目前的一个重点研发方向。”方群教授表示,在众多SODA的应用中,他尤其看好单细胞分析、高通量筛选和家庭实验室这三大应用。

  单细胞分析

  微流控学是在微米级结构中操控流体的技术和科学,而细胞的粒径在数微米到数十微米之间,所以微流控系统天生适合做单细胞操纵和分析,SODA系统也不例外。单细胞研究对于目前生物医学的基础研究和临床诊疗意义重大。

  2014年,方群教授与国家蛋白质科学中心的黄超兰研究员合作,共同进行单细胞蛋白质组的研究。“我们利用SODA系统进行超微量单细胞样品的复杂预处理和进样,在纳升级水平完成了单细胞的微液滴包裹、细胞膜破碎、细胞蛋白质释放、蛋白质还原和烷基化、两步酶解、毛细管色谱柱进样,再配合后续的色谱分离和质谱检测,实现了在单细胞水平上的蛋白质分析和鉴定。2018年这个研究成果发表在Analytical Chemistry(2018, 90, 5430)上。

  与现有方法相比,SODA在降低单细胞样品预处理过程中的损失方面具有明显优势,这个结果也给了我们很大信心,它有可能解决单细胞样品预处理方面长期存在的瓶颈问题,也有可能将多种单细胞操作集成进行,如单细胞分选、液滴包裹、培养、刺激、多组学(如基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等)分析等。”

  高通量筛选

  传统的高通量筛选系统样品和试剂的消耗通常在微升级。多数的微流控液滴系统适合生成大量的来自于单一样品的液滴,当需要生成大量不同样品来源的微液滴时,上述的液滴生成方式则行不通。针对这个问题,方群教授研究组基于SODA技术,研制了多款应用于分子/细胞水平药物筛选和蛋白质结晶筛选的高通量筛选平台。在针对大规模样品的高通量筛选中,其试样/试剂消耗较文献报道的系统及商品化仪器有明显优势。此外,在已经完成了基于单根探针的SODA系统基础上,他们正在加快研发基于12根探针的超高通量SODA系统以实现超高通量筛选的目的。

  家庭实验室

  在讲到家庭实验室(Lab at Home)想法时,方群教授以计算机的发展做了类比。计算机的发展经历了巨型化、台式机化、笔记本电脑化、网络化和智能手机化等发展阶段,如今深刻影响着每个人的生活。方群教授表示,分析仪器也可以像计算机一样,最终进入寻常百姓家。

  “我们研究微流控的最终目的是要让微流控分析产品走近老百姓,走进千家万户,就像手机一样普及到每个家庭。这个概念类似于POCT(现场检测),但又与POCT有所不同。家庭检测设备对仪器的自动化、集成化和通用性有很高的要求,此外还要求仪器和检测的成本要比较低。但对仪器的微型化和便携化要求则比POCT要低。”

  “如果能将生物和化学分析仪器普及到每个家庭,那么每个家庭都将成为大数据的一个产生源点,将这些数据汇集,将会给大数据、物联网或者人工智能提供非常丰富的生物和化学数据支撑,而这是目前非常缺乏的。”谈到这里时方群教授非常激动,他表示:“做这个很难,但长期看这是一定要做的。总得有人做,总得有人开始去做。而SODA技术就其特点来说,很有可能为此做出贡献,所以我们现在非常想去推进。”

  “我们希望达到的目标是,吸取一滴血,就可以进行生化、核酸、免疫和细胞等多类指标的检测。”“其实这里面有许多难题,一滴血体积很小,只有30-50微升,另外血液很粘稠且成分复杂,对其进行定量量取和精准操控很有难度。”

  目前,方群教授团队已经完成一款基于SODA技术,并且适用于家庭实验室场景的自动化核酸分析原理样机。该仪器可以自动化进行样本的核酸提取、逆转录和实时PCR定量分析,完成一个样品中6个流感指标的检测,且成本较市售类似产品大幅降低。最近,他们还实现了针对一滴血样品的自动化血浆分离与定量稀释,以及后续的血糖和胆固醇分析。

  “从目前来看,SODA技术在进行微量样品的多步复杂操作方面很有优势,我们也很有信心。”方群教授表示,希望与有情怀、有眼光和有能力的厂商合作,共同实现仪器的产业化,供大家使用。

  后记

  微流控领域已经发展了30年,最近该领域又频现新的突破。有专家评论,微流控的春天来了。方群教授深以为然,“我确实深有同感,非常同意这句话。”

  方群教授团队在微流控分析仪器研制方面,成果非常丰富。已研制的仪器有单细胞分析平台、高通量筛选平台、自动化核酸分析仪、高速毛细管电泳分析仪、手持式激光诱导荧光检测器、小型流式细胞仪等,目前均已供实验室内部使用,部分还提供给相关合作单位使用。

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