小工具，大领域： 探索电化学在细胞微环境与即时诊断技术中的新应用 ——访西安交通大学生命科学与技术学院李菲副教授

　　一次偶然的机会看到了哈佛仪器在西安交通大学成立扫描电化学显微镜亚太区首个示范实验室的新闻，年轻的李菲博士作为生命科学与技术学院的代表和哈佛仪器的高层领导在实验室门口合了影。没过多久，又发现她作为嘉宾应邀参加第十七届BCEIA电分析化学学术报告会。于是，仪器信息网的编辑联系了西安交通大学生命科学与技术学院李菲副教授，并对她目前主要开展的细胞微环境电化学检测和纸基即时诊断检测芯片的研究做了采访。

西安交通大学生命科学与技术学院 李菲副教授

李菲，西安交通大学生命科学与技术学院副教授，博导。李菲博士在以电化学方法为基础、将各种显微镜技术、光电分析手段与微/纳技术相结合的新能源纳米材料光电催化和生物体系电化学检测方面有超过16年的研究经历，特别是在扫描探针显微镜 （扫描电化学显微镜（SECM）和扫描离子电导显微镜（SICM））和构建各种细胞纳米探针应用于细胞电化学检测方面有丰富的研究经验。已在Chem. Rev., Materials Science & Engineering R、Adv. Func. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Research、J. Phys. Chem. C、Analyst等国际知名期刊上发表论文50余篇，H因子18，并主持国家和省部级项目10余项。

　　李菲2001年本科毕业于西北大学化学系，紧接着在中国科学院长春应用化学研究所攻读分析化学硕士学位，导师是邵元华教授，他也是最早将微界面电化学扫描探针技术引入中国的学者。之后李菲获得英国政府海外留学生全额奖学金赴英国华威大学攻读博士，并于2008年取得电化学博士学位。李菲的硕士和博士阶段的课题一直在做基础性研究。博士毕业后，她思考今后要做些什么。当前和人类最相关的两个问题：一个是环境，另一个是生命健康。针对这两个问题，李菲后来在瑞士洛桑联邦理工学院从事的第一个博士后研究方向转入新能源领域，研究新能源纳米材料的界面电催化过程。在瑞士完成第一个博士后研究后，为了进一步拓宽自己的研究领域，她紧接着联系了美国天普大学的第二个博士后，和美国导师一起开发纳米级探针来检测细胞释放的神经物质。2010年3月李菲博士回国并应聘于西安交通大学，并于同年加入仿生工程与生物力学中心（BEBC），并继续从事新能源纳米材料光电催化和细胞电化学检测方面的研究。

　　当被问及为什么会首选西安交通大学作为自己回国后的科研平台时，她说“西安是我家乡，西安交大是西部最好的学校之一，原来的211和985、最近刚入选的双一流高校。西交大除了学校的名气之外，学校的理、工、医紧密联系（比如西安交大2000年并校之后，有13个附属医院），多学科交叉的平台好。做新能源材料和生命科学领域电分析化学研究需要不同专业背景的合作者，特别对于与材料和生命科学相关的交叉研究，西安交大是个很好的选择。比如，目前我所在的仿生工程与生物力学中心（Bioinspired Engineering and Biomechanics Center (BEBC)），就有物理、机械、化学、生物医学工程、医学（临床医生）等不同专业背景的老师和学生，为多学科交叉研究提供了非常好的合作平台。”

　　在不断探索中深入细胞微环境电化学检测领域的研究

　　细胞三维微环境是细胞赖以生存的基础，对细胞增殖、迁移和分化等行为具有重要影响。构建和调控细胞三维微环境，对病理机理、组织再生和药物筛选等研究具有重要意义。采用原位细胞分析技术检测细胞的行为有助于理解基本细胞功能和病理学研究。李菲博士在西安交通大学从事的研究领域之一就是应用新型的扫描探针显微镜技术和电化学方法相结合，原位、实时表征三维细胞微环境中细胞的形态、功能和行为。她所承担的国家和省部级关于细胞微环境电化学检测领域的科研项目已有10余项，她作为项目负责人开展的“力-电耦合微环境对心肌细胞形态和多行为影响的扫描探针显微镜研究”获得了2017年国家自然科学基金面上项目的资助。2017年国家自然科学基金（化学科学部）指南提到：分析化学学科资助的范围从肉眼可见的宏观复杂结构到单个分子的分析与检测，旨在建立创新的新技术、新方法和新应用。可以看出，指南已经在偏向单细胞分析和单分子检测领域。

　　纸基即时诊断检测芯片优势与机遇并存

　　21世纪是科学技术突飞猛进的时代，传统的分析技术也在经历着深刻的变革。其中，分析设备正走向微型化、集成化和便携化。纸基即时诊断检测芯片是李菲博士的另外一个研究领域。纸基芯片是以纸代替传统的石英、玻璃、硅、高聚物等材料，在纸的表面加工出具有一定结构的微流体通道的微型分析器件，结合了微流控技术和纸的优点。纸基即时诊断检测芯片的主要特点包括：制作成本低廉，来源广泛，环境友好，液体在芯片上的流动依靠毛细作用，不需要额外的泵。并可通过叠加多层纸的办法实现三维纸基装置的构建，用于癌症检测和抗癌药物的筛选。另外，纸基芯片在设计上能包含更多的功能，并可用于高通量检测。

　　纸基芯片的制备首先在纸基底上构建样品区和亲水性通道，方法有很多种，如石蜡打印、切割等方法，再在反应区制备检测传感元件。当样品到达检测区域时反应产生光/电信号完成检测。李菲团队在这些研究领域都有涉及，他们开发出了一种简单的笔写装置在纸基底上构建石蜡通道以及制备电极用于葡萄糖的电化学检测。该方法成本低廉，操作简单，能够实现用户自定义（DIY）设计，并且可与二维移动平台结合实现自动制备。

　　2015年微流控芯片的市场规模约为28亿美金，到2018年市场规模为58亿美金，年复合增长率超过27%。纸基即时诊断检测芯片作为微流控芯片的一种，在临床诊断市场上的应用前景十分广泛。但目前纸基芯片的制备方法虽然简单，但还停留在实验室的阶段，还未实现批量生产，另外还需跟进小型化纸基检测结果读取装置的开发。再者，纸基芯片的上游产业包括造纸和试剂的研发等行业，如果造纸厂商能够针对不同的应用开发出不同特性的纸（如不同透光性、孔径、孔隙率等），试剂厂商能够开发出批次差异性更低、稳定方便纸上存储的试剂，纸基芯片产业化会更容易实现，应用领域也会更加广泛。

　　纸基芯片技术革新改变人类生活

　　可以设想到颠覆性的纸基即时诊断检测芯片技术革新有很多，将来会有更多种类的纸基材料应用到纸基即时诊断检测芯片。例如，使用可降解的糯米纸可实现在一定监测周期后自行脱落，实现定期失效的瞬态柔性可穿戴电子的制备；纸与打印机、笔都是日常办公必不可少的材料及工具，利用打印、笔写技术使得电子电路跃然纸上，可分别满足大规模批量生产和快速、个性化制备纸基电子可穿戴设备的需求；目前纸基柔性电子研究多为基于纸实现电导体、应变传感等简单功能的研究，作为独立集成器件实现复杂的健康监测功能仍有待探索；纸作为产品的封装存储，廉价易得，却也较为脆弱，褶皱、破损、腐蚀等情况均会对纸基电子的功能实现造成影响，考虑到纸基可穿戴设备巨大的商业前景，有必要对其封装存储等问题进行研究。在不久的将来，利用纸基即时诊断检测芯片制成柔性电子可穿戴设备，可以轻松对老人的身体状况、婴幼儿的睡眠状态进行实施监控，对司机的疲劳驾驶进行实时预警......这些纸基即时检测芯片得到的实时生化指标数据信息可与手机医学、云服务和远程医疗等结合，为运动、康复、医疗提供有力的帮助与支持。

后记：“做科研，要么上书架，要么上货架”，探索未知领域，真正解决科学问题，增加人类对自然和自身更深一步的认识和理解，这是上书架；另一方面，孕育新的技术，新的产品，让人类生活更美好， 就是上货架。目前，随着人们对食品、环境安全和健康关注度的不断提高，与疾病相关的细胞层次的基础研究和应用于食品、环境安全和健康监测的即时诊断技术的应用研究成为国内众多科研工作者的研究重点。虽然现阶段很多问题有待解决，但相信在国内外李菲博士等的众多科研工作者的孜孜不倦的努力下，这些研究将从基础研究和应用研究两方面，推动更深入理解疾病的发生发展，实现即时检测食品安全、环境污染物和疾病的发展过程。

采访撰稿：王明