在芯片上构建实验室——访中国科学院大连化物所林炳承教授

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分享： 2006/06/14 11:24:41

说到实验室，大家一定不会陌生，生物实验室、化学实验室、物理实验室以及医学实验室等等，虽然它们的功能不尽相同，但有一点是一样的，就是不论多么简单的实验室，至少需要一个房间的空间，用来摆放仪器并给研究人员提供工作场所。而微流控芯片实验室从传统意义上看确实是一种非常特殊的实验室，它只有几平方厘米这么大，却能完成通常需要整个实验室才能完成的工作，就好像有神奇的魔力把实验室里不同的单元操作同时变小，并互相联系起来一样。

　　笔者第一次接触微流控芯片实验室的概念是在2004年于长沙举行的中国化学会第二十四届学术年会上。当时，来自中科院大连化物所的林炳承教授在大会上做了题为“生命科学中的微流控芯片实验室”的学术报告。现在我还依然能清晰地记得，林教授的报告结束后得到了与会代表极其热烈的掌声。林教授在会上表示，在科学技术迅猛发展的今天，以芯片毛细管电泳为核心技术之一的芯片实验室技术正以强劲的势头向生命科学的各个相关领域渗透。

　　那么，很多业内人士也许会问，芯片实验室的概念是如何提出的？芯片实验室在国际上已发展到什么程度？我国在这一领域的工作又处于什么状态？它的产业化前景究竟如何等等？而这些话题恰恰也都是笔者非常感兴趣的。2005年5月，笔者专程赶赴大连，对林炳承教授（以下简称林）就相关话题进行了专访，林教授为笔者（以下简称Instrument）解答了上述的疑问。

Instrument：林教授，您好！首先能否请您向仪器信息网的广大网友们介绍一下什么是芯片实验室？特别是微流控芯片这一概念大概是什么时候，如何提出的？这一技术最大的优势是什么？
林：好的。微流控芯片实验室又称芯片实验室（Lab-on-A-Chip)或微流控芯片(Microfluidic)，指的是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和大规模集成，高通量是大规模集成的一种形式。
　　微流控芯片实验室以微流控技术为基础，它有别于另一类以静态亲和杂交技术为核心的微孔板芯片，后者没有流通网络，没有分离，专用于DNA或蛋白质，通常被国内的大众媒体称之为 “生物芯片” ，以DNA芯片为典型代表。在一段时期的学术刊物中，微全分析系统（m-TAS）往往和微流控芯片实验室混用。事实上，较之微全分析系统，微流控芯片实验室的外延更宽，内涵更为丰富。微流控芯片实验室的最早期形式是芯片毛细管电泳，芯片毛细管电泳至今仍是芯片实验室中分离部分的主体。
　　微流控芯片的概念最初是由瑞士Ciba-Geigy公司的A. Manz博士等在1990年提出的。当时的工作是从芯片电泳入手的，即把毛细管电泳的通道刻在一块芯片上，用以实现分离过程，这种芯片电泳体积小，分析速度快、样品需求量少。随着研究工作的逐渐深入，人们发现，微流控芯片不只是仅仅可以完成电泳的功能，电泳只是它能涉足的很多过程中的一种。譬如：如果在通道里面添加一些填料就可以作为色谱；也可以将样品前处理过程放在同一块芯片上完成；可以平行构建若干条通道以进行多样品同时分析；还可以在芯片上进行生化反应等。也就是说，微流控芯片有可能发展成为一个可以将不同的操作单元集成在一块片子上的平台。这个平台集样品前处理、混合、反应、分离、检测为一体，而不同的操作单元还可以灵活组合，规模集成，从而形成一个具有大规模集成功能的芯片实验室。这个实验室既可以做分离，又可以做分析，甚至可以做反应，尽管反应产物的量可能很少，但对于生物领域而言这并不是一个问题，因此微流控芯片技术也非常适合于当代系统生物学的要求。由此看来，微流控芯片已由最初非常单一的芯片电泳，而后的用于分析领域的微全分析系统，进一步发展到面向所有生物和化学领域的芯片实验室。
　　前已提及，微流控芯片的基本特点是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和规模集成，目前一个重要的趋势是：集成的单元部件越来越多，且集成的规模越来越大。所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀、微泵；当然还包括微混合器、微反应器、微分离器和微检测器等。这样一种高度集成的微流控芯片平台，具备物料耗量低，运行时间短，价格低廉，使用安全，通量高，污染小等特点，形成了微技术领域的一种固有优势。

Instrument：那么，作为一个完整的微流控芯片实验室主要是由哪几部分组成的呢？每一部分所起到的作用是什么？
林：按照目前的理解，一个完整的芯片实验室大体包括三个部分：一是芯片；二是包括驱动源和信号检测装置在内的芯片工作站；三是包含有实现芯片功能化方法和材料的试剂盒。
　　芯片本身涉及到两个方面：一是尺寸；二是材料。现有典型的芯片约为几个平方厘米，一般的通道尺寸为10～100mm宽，5～30mm深，长度约为3～10cm。可用于芯片的材料最常见的为玻璃，石英和各种塑料。玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，可用比较熟悉的化学方法进行表面改性，但加工成本较高，封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）以及聚碳酯（PC）等，它们成本低，可用物理或化学方法进行表面改性，制作技术和玻璃芯片有较大的区别。
　　样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用，这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。人们常采用由高压电源产生的电场力或泵产生的正、负压力作为驱动源。此外，芯片内产生的信号需要被检测，目前最常用的检测手段是激光诱导荧光，此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。激光诱导荧光检测器的特点是检测灵敏度高，但现阶段其体积仍然偏大；电化学检测由于其体积较小，与高压电源一起可制成便携式仪器，在尺寸上和芯片实验室的概念匹配，加之有电化学响应的物质很多，所以在芯片中的应用研究较多。驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分，其体积的大小直接决定了微流控芯片仪的大小，因此人们正努力追求这两部分体积的最小化。
　　有了芯片和检测装置是否就可以开始进行工作了呢？还不行。一般而言，还需要试剂盒。譬如，你要利用芯片实验室进行某一生物样品的反应或者是分离，那么你就需要有一定的方法，一定的介质，而这些都包含在我们所谓的试剂盒当中。也就是说，针对不同的应用对象，需要有不同的试剂盒。譬如，对于一个简单的测试，所需要的试剂盒可能是一种缓冲液和一种标样，也可能是一种手性拆分剂等等。试剂盒所包含的物质是在方法研究的过程中得出来的，如果说仪器和芯片是芯片实验室硬件的话，那么对于不同的应用对象而言，则还需要有千变万化的包含在试剂盒里的由方法和材料组成的“软件”，三者构成了一个完整的微流控芯片实验室。

Instrument：从应用角度来看的话，您认为微流控芯片实验室主要将应用在什么领域，或者说将来还可能向哪些领域拓展？
林：就我个人看法，在未来一段时期内，微流控芯片将被用于疾病预防与诊断、药物筛选、环境检测、食品安全、司法鉴定、体育竞技、反恐、航天等事关人类生存质量和安全的各个领域。而这其中将涉及到样品的各种处理，PCR反应和酶反应等生物反应，各种化学反应，细胞分析、核酸分析、蛋白质分析和各种小分子分析，分子与分子间、细胞与分子间以及细胞与细胞间相互作用等单元操作。就拿2003年的SARS来说吧，当时我们实验室采用自行设计的RT-PCR试剂盒，在自制的由聚合酶链反应（PCR）—毛细管电泳（CE）芯片和激光诱导荧光芯片分析仪组成的微流控芯片系统上，对SARS病毒和18例SARS患者咽拭子样品进行了分析和检测，实现了芯片上的聚合酶链反应和电泳检测的微流控芯片分析。这一成果很有可能发展成为SARS早期检测的一种新的手段。

Instrument：从世界范围来看，目前，中国在微流控芯片实验室的研究方面处于一个什么样的水平，或者说是处在一个什么样的位置？能否请您对此作一个评价。
林：芯片实验室开始为科学家们所关注是上个世纪90年代初的事情，到了90年代中后期，在世界范围内有一批科学家先后介入这一领域，其中包括中国科学院和国内一些大学的学者。我自己真正开始搞微流控芯片是从99年开始的。由于种种原因，中国科学家起步不是最早的，但我们正在以很快的速度追赶，国内有一些实验室的工作已经取得了很好的结果。
　　以我们实验室为例，经过五、六年的艰苦努力，已经建立起了一套完整的具有自主知识产权的微流控芯片平台系统。包括：（1）自行设计研制了三类七台不同功能的微流控芯片仪；（2）自行设计研制了五种不同材料，不同集成度和不同结构的微流控芯片；（3）在芯片上完成了各种单元操作（膜、电泳、整体柱色谱亲和、PCR反应、酶反应、细胞培养、单细胞分析等）及其初步集成，例如在集电泳和凝集素亲和整体柱于一体的系统中，成功地分离了三种糖蛋白中的不同糖型；（4）在上述仪器和芯片上进行核酸、蛋白质、小分子的反应、分离、分析、手性药物的拆分和相互作用研究，实现了凋亡细胞活性氧类和谷胱甘肽的同时检测，以及细胞样品RNA的完整评价，并取得了单细胞裂解和内涵物测定的初步结果；（5）完成了SARS病毒基因后转录多重PCR检测，癌症病人P16基因甲基化DNA诊断和高血压基因筛查等的研究和相应的一定规模（分别为18例、159例和226例）的实际样品的测试，实现了微流控芯片系统的初级功能化。上述结果已申报40项发明专利，发表国外SCI学术论文34篇，其中近一两年被Angew. Chem. Int. Ed., Anal. Chem., Lab on a Chip 和Electrophoresis等高影响因子学术刊物录用的计16篇。
　　比较客观地讲，中国在微流控芯片方面的研究已经得到了国际同行学者的广泛承认，中国相关实验室的研究水平即使是在世界范围内，也是处于一个比较靠前的位置。按照目前的趋势，五年以后微流控芯片将会在国内业界得到非常广泛的研究与应用。当然我希望这个时间能够再缩短一些，我们的发展能更快一些。

Instrument：就微流控芯片这项技术而言，发展到目前为止，是否已经非常完美了？还是说这项技术还存在某些缺陷需要在进一步的研究过程中得到解决？
林：芯片实验室的发展前景广阔，但现有的芯片实验室的研究水平和人们预期所要达到的水平相比还有一定差距。研究工作的难点有几方面：一是微量样品与检测准确度的矛盾，芯片体积小，样品用量少，运行速度快，这给检测的准确度和精密度都带来难度。这一问题的产生往往是由于初期对这种技术掌握不够，或是在制造方面有某种缺陷造成的。随着这项技术的逐渐普及，加工水平的逐步提高，这一问题是可以被克服的；二是芯片的小尺寸与检测器等相对较大体积的“外部世界”之间的矛盾。这一问题应当也是发展过程中的问题，而不是技术的根本性缺陷。譬如：传统的质谱仪一般都体积庞大，与芯片实验室的发展不匹配。但近来质谱芯片的研制已有报道，这种质谱芯片将离子化腔、加速电极、漂移腔、检测阵列等器件集成在只有几枚硬币大小的硅片上，检测质量达10^-12克。所以说随着微纳米技术的发展，检测装置小型化的问题是有可能得到解决的。
　　目前困扰科学家的一个问题是，微流控芯片系统至今为止还没有拿出一个能够让大家为之一振的“有杀伤力”的，也就是说其他手段无法替代的应用成果，国外称之为Killer Application。目前，全球许多实验室，包括我们在内的，都在为此努力的工作。我相信，Killer Application迟早是会出现的。现在在某些领域，譬如细胞培养和分析方面，微流控芯片的独到性已经有所反映。
　　但是，我们不能等到Killer Application出现以后再进入这一领域，一名优秀的科研工作者必须要尽可能多地参与一项研究的发展进程。如果中国科学家不能积极、主动地参与微流控芯片平台的发展过程，那么若干年后，相当一批芯片仪器就不得不从国外进口，而我们所能做的只是用买来的国外商品仪器做一些零零星星的应用工作。中国在很多高端分析仪器上吃亏，就是因为这个问题，这不能不说是我们的一个悲哀。目前，在微纳米技术领域，微流控芯片是我国和国外差距比较小的一个分支，如果能够有更多的人参与进来，特别是如果能有相关企业投入到这一领域，最终将极大推动这一平台研究的产业化进程。

Instrument：谈到产业化问题，您认为微流控芯片技术的产业化前景如何？它的市场有多大？国外是否已有商品化产品出现？
林：我先回答你的后面一个问题。据我所知，加拿大和日本已有个别通用性实验室用产品出现，但是价格普遍昂贵。像一块简单的玻璃芯片大概要200美金，一套带UV检测的工作站要卖3万欧元左右。而且，日本的产品还不卖给中国人，只销往欧美地区。此外，安捷伦公司2004年也首次拿出了芯片LC-MS的构思，虽然还不是很成熟，但从中我们可以看到微流控芯片已经进入到了实质性的商品开发阶段。
　　就我们实验室而言，目前我们开发的芯片和芯片工作站大体已到了准商品化阶段，香港大学已经订购了我们的一套系统。作为一家中科院的科研机构，搞产业化确实不是我们的长处，但我们也试图在这方面进行一些探索，我们最终的目标是希望广大的中国用户都能够用得起中国人自己的产品。如果说微流控芯片作为临床诊断的一种工具，距离最终进入医疗机构可能还有一段路要走的话，但它作为一种通用性平台被广泛应用在大专院校和科研机构的生物实验室也就是未来几年的事情。微流控芯片最终的出口应当是在超市，一旦达到民用化程度，其市场潜力将是不可限量的。
　　我个人认为，微流控芯片实验室已经到了产业化的前夕，我希望有远见的企业家尽快介入到这一技术的发展过程中来，大家同舟共济，一起滚打几年，一起来改进技术，培育市场，共同发展。某种意义上说，这也是一种机会，等市场完全成熟了再介入进来可能就太晚了一些。

Instrument：有一个关于您个人的问题也是我非常感兴趣的。您原来是搞毛细管电泳的，而且在毛细管电泳领域取得了非常突出的成就（编者注：林炳承教授目前是《Electrophoresis》杂志的副主编），在这种情况下，是什么原因使您甘冒一定的风险，转到微流控芯片这个全新领域的呢？在进入到一个完全崭新的领域后，您遇到的最大的困难是什么？
林：作为一名科学家，有几种素质是很重要的，比如说洞察能力和把握能力，他应能看得远一些，看到现时不为别人重视，却又极具发展潜力的前瞻性、方向性的重大问题，作一个大一点的布局，并且能够不失时机地紧紧抓住，使他所领导的课题组从事的研究工作符合几年甚至十几年后学科发展趋势，并且尽可能地满足社会民生的实际需求。
　　当然要做到这一点不那么容易，特别是当你已是一个资深科学家的时候，在原来的那个领域你可能已经很有地位，也可能已得到国内外同行的公认，但是到一个新的领域，昔日的光环不复存在。这需要判断，需要勇气，需要重新学习，有时甚至需要从零开始。这样的做法，对自己会很累，弄不好还可能很狼狈。但客观上却又往往很重要，因为你所孜孜以求的可能关系到未来一段时期国家在世界上的核心竞争力，你还可能为国家培养出一大批急需的这一领域的高层次人才。
　　坦率地讲，我们一开始确实非常不容易，全世界大多数实验室的起步时间非常接近，没有任何现成的东西可以借鉴。曾经有两年的时间，工作进展迟缓，一个又一个的障碍压得人透不过气来。我曾反复地问自己，“有没有看错”？就这样反复思考，反复实践，终于没有动摇。
　　结果证明我们当时的决定是正确的，经过课题组同事和学生的不懈努力，我们终于建成了有自主知识产权的微流控芯片平台及其应用系统，取得了重要的阶段性成果。

Instrument：那么，您认为微流控芯片未来的发展趋势是什么？您下一步的工作将主要集中在哪些方面？
林：我想微流控芯片下一阶段的发展趋势应当是集成化和功能化。我们已反复强调多种单元技术在微小空间上的灵活组合和规模集成是微流控芯片的基本特点。集成化是大势所趋，集成化的目的是实现某种功能，满足社会的某种需求。总体而言，我们将依照上述我们对微流控芯片发展趋势的判断强化我们的工作。一方面我们将会推进芯片设计及操作单元集成化方面的研究。现在我们已经可以完成两个或三个操作单元的集成，譬如分析一个样品需要三个工序，样品处理——反应——色谱分析，这样三个过程现在已经可以放在一块芯片上完成。小集成已经做到了，规模化的集成将会继续研究下去，当然同时还要考虑芯片设计的优化；另一方面，我们将拓展微流控芯片的应用领域，在这方面，我们实验室已经做了大量的工作，应该说是非常有特色的，我们会继续保持这一优势，努力实现更多的功能化。比如我们要把血样固相萃取、膜分离、核酸提取、核酸PCR反应、扩增产物分离、检测等功能集成在一块芯片，用泵和阀控制整个流路，只要采一滴血输入，样品自动运行后即能得到最终体内某种DNA的分布结果。又比如，我们把细胞培养、分选、裂解、内涵物检测等单元操作集成到一块芯片上，观察不同细胞在相同药物作用下的不同反应，测定其某种成分在不同作用下的不同变化等等。这样一些具有DNA测定或细胞分析功能的微流控集成芯片就有可能因为样品量小、成本低廉、控制简单、省时省力而具有广阔的社会需求。
　　在开展自身研究的同时，我们还将努力促进这一新兴领域的普及工作。在这一点上，我们希望能够和仪器信息网紧密合作。“没有普及就没有提高”，我们真诚地欢迎国内的有识之士和我们一道，将中国微流控芯片实验室的研究工作推向一个新的高度。

　　后记：2004年9月的美国 Business 2.0 杂志封面文章将微流控芯片实验室称之为“改变人类未来的七种技术”之一。据不完全统计，目前全世界已至少有30多个重要的实验室（包括MIT，Stanford大学、加州大学柏史莱分校、美国橡树岭国家实验室等）和一批大公司在从事这一领域的研究和开发。作为中国优秀科学家的代表，林炳承教授在毛细管电泳研究达到顶峰时，凭借其敏锐的科学直觉，适时地把研究重点转到以医学诊断和药物筛选为目的的微流控芯片技术上，同时在这个过程中，林炳承教授领导的实验室形成了自己极具特色和核心竞争力的积累。在与林教授的交谈过程中，笔者深刻感到，林教授在他长期的科学实践当中，始终贯穿着“把握方向、长期坚持、强化积累、推动发展”这样一种坚定信念。

联系电话：0411-84379065
电子邮箱：bclin@dicp.ac.cn
单位地址：大连市中山路457号

林炳承教授简历：
　　从事分离分析方面的研究，并以生物医学和药学为研究和应用的主要背景，80年代以色谱为主，90年代为毛细管电泳，2000年起致力于微流控芯片实验室研究。
　　林炳承教授课题组围绕系统生物学研究需要，以微流控芯片为主要平台，力图在细胞和分子层面，甚至是单细胞、单分子水平上，实现以不同单元技术灵活组合、大规模集成成为特征的疾病诊断和药物筛选。
　　已发表论文约200篇，出版《毛细管电泳导论》（科学出版社）等著作5部，申请专利67项（发明44项），已授权22项（发明5项）。获辽宁省自然科学奖一等奖，中国科学院自然科学三等奖各一次。已培养研究生20余名，其中一名获全国百篇优秀博士论文奖。2001年全国优秀博士学位论文指导教师，2002年中国科学院优秀博士生导师。德国 Tübingen大学、美国Truman 州立大学、香港大学、意大利科学院客座教授，德国洪堡基金(AvH)、日本学术振兴会(JSPS) 研究员。任第一至六届全国毛细管电泳会主席或主席之一，第一至五届亚太国际微分离分析会主席或主席之一，JBBM 杂志编委，Electrophoresis 杂志编委，客座主持该刊两期编辑工作，2005年起出任Electrophoresis杂志副主编。

[来源：本网]

标签：芯片实验室