訪浙江大學化學系微分析系統研究所方群教授

微流控芯片（亦稱芯片實驗室）技術是指在方寸大小的微芯片上加工微通道網絡，通過對通道內微流體的操縱和控制，實現化學和生物實驗室的功能。自上世紀90年代興起以來，微流控芯片技術研究取得了快速發展，被列為21世紀最為重要的前沿技術之一，被認為有可能為生命科學的基礎和應用研究帶來顛覆性改變。近年來，微流控芯片技術不斷引來相關領域學者的關注，有業內專家認為，微流控應用的春天來了。那么，微流控技術發展即將進入全新階段了嗎?帶著這些問題，儀器信息網特別專訪了浙江大學化學系微分析系統研究所方群教授，請這位在微流控領域深耕二十余年的學者談談他對微流控技術發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，微流控技術起源于分析化學。1990年，瑞士有一位叫Manz的分析化學家在《Sensors and Actuators B: Chemical》創刊期發表了一篇概念性的文章，提出了“微全分析系統”（Miniaturized total analysis systems, μTAS）的概念。“他當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絡結構，在這些微結構中進行取樣、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介紹道。

1992年，Manz與加拿大的Harrison合作，共同研發設計了一款具有十字通道構型的玻璃芯片，并基于此實現了氨基酸的高速毛細管電泳分離。這個時候微全分析系統的概念才真正落地。后來人們查找早期的文獻，發現在1979年美國斯坦福大學的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，但當時這個工作沒有引起很大反響。反而是基于微全分析系統的概念，發展出了現在廣為人知的微流控芯片技術。目前，微流控芯片可以簡單定義為在加工有微通道網絡的微芯片上，通過對通道內的微流體進行操控，完成化學或生物實驗室的功能。由此可見，微流控芯片技術起源于分析化學技術與微機電系統（MEMS）技術的結合，具有鮮明的學科交叉特色，已廣泛應用于化學、生物學、醫學、藥學、材料科學、食品科學、環境科學等領域。

90年代中期，國內學者敏銳捕捉到了這一研究動向，并緊追國際前沿。方肇倫院士是國內第一批從事微流控技術研究的學者。早在1995年以前，方肇倫院士就開始關注微全分析系統研究方向。1996年，他在中科院沈陽應用生態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，同年他調入東北大學化學系組建分析科學中心，正式開展微流控芯片研究。2000年，方肇倫院士在浙江大學成立了微分析系統研究所，專注做微流控分析技術的研究。

1998年，方群教授博士畢業后，曾在東北大學分析科學中心實驗室從事了半年微流控毛細管電泳技術的研究工作。1999年，方群教授從香港浸會大學回到浙江大學加入微分析系統研究所，繼續開展微流控技術的研究至今。

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？模仿只能追趕，自主研發卻有可能超越。“因為當時國際上已有先行者，而做基礎研究需要有原創性，所以我們放棄了模仿的想法。”方群教授回憶說。

據方群教授回憶，當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學者所關注，但無疑解決這個問題是很有價值的。

經過慎重考慮，方群教授最終選擇以“試樣引入”作為發力點切入微流控領域，并正式開始微流控技術的研究。在建所兩年時，他們的研究成果首次在國際分析化學領域的權威期刊《Analytical Chemistry》上發表，這也是我國學者發表在該期刊上的第一篇關于微流控芯片技術的文章。

“最初，我的預想是在幾年內就全部‘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，逐漸發現這個方向很重要，有很多問題需要解決，在解決這些問題過程中，我們對微流控技術的理解也越來越深入。這個方向就一直做下來了，如今已經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研究，該技術是微流控分析領域的新一代前沿技術之一。何為多相微流控？這其實是針對“單相”來說的。多相微流控學，是利用多相微流體的物理化學特性和尺度效應，在微通道或者微結構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、分析、篩選等操作的技術和科學。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”。

頓悟：驀然回首，那人卻在燈火闌珊處

“控”是微流控技術的精髓與核心。“要讓微流體聽你的話，就要通過各種“控”的方法去精準地操縱它們來完成實驗室的各項工作。”

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。但如果過分強調芯片系統的專用化，一方面會使微流控芯片品類繁多，導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難以集成，實驗操作復雜。那么，如何以相對少的硬件系統，適應更多不同的應用場景呢？

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。方群教授終于找到了，但他沒想到的是，這項技術竟源自當時團隊正在進行的基于微流控液滴的高通量篩選工作。

當時，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，在平臺的應用過程中越來越顯示出其獨特的優勢和應用潛力，驀然發現“沒想到辛苦找尋已久的技術竟然就在自己身邊。”方群教授興致勃勃講到：“經過一番提煉和改造，這套技術就成型了!”

方群教授給這套技術命名為序控液滴陣列技術（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目標帶來靈感的順序注射分析（Sequential Injection Analysis）技術，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這三大應用場景

靈活操控微量流體是SODA系統最為突出的優點。SODA系統能夠通過吸-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雜的液滴操控，包括液滴生成、轉移、融合、分裂、尋址、分選等。

極佳的系統通用性和兼容性是SODA系統的另一大優勢。目前，SODA系統已應用于單分子/單細胞分析、高通量篩選、微量細胞實驗、微量樣品分析、現場分析等多個領域。此外，SODA系統的半開放特性使其能夠方便地與液相色譜、毛細管電泳和質譜設備兼容使用。

“隨著我們對SODA技術的研究不斷深入下去，越發覺得這套系統功能強大，能夠完成很多任務，尤其適合在超微量樣品和試劑消耗下開展多種類、大規模的分析和篩選，以及進行復雜、多步驟的微量樣品處理和分析，因此非常值得大力推廣。”

“SODA可以提供一種不同于現有微流控技術的微流體操控技術，有望為化學、生物、醫學、藥學等領域的基礎與應用研究提供重要的平臺工具。”方群教授介紹說。

“我們很想把SODA做成一套成熟的系統化的裝置，然后從眾多應用中選擇若干突破口，真正實現SODA儀器的產品化。這是我們目前的一個重點研發方向。”方群教授表示，在眾多SODA的應用中，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用。

單細胞分析

微流控學是在微米級結構中操控流體的技術和科學，而細胞的粒徑在數微米到數十微米之間，所以微流控系統天生適合做單細胞操縱和分析，SODA系統也不例外。單細胞研究對于目前生物醫學的基礎研究和臨床診療意義重大。

2014年，方群教授與國家蛋白質科學中心的黃超蘭研究員合作，共同進行單細胞蛋白質組的研究。“我們利用SODA系統進行超微量單細胞樣品的復雜預處理和進樣，在納升級水平完成了單細胞的微液滴包裹、細胞膜破碎、細胞蛋白質釋放、蛋白質還原和烷基化、兩步酶解、毛細管色譜柱進樣，再配合后續的色譜分離和質譜檢測，實現了在單細胞水平上的蛋白質分析和鑒定。2018年這個研究成果發表在《Analytical Chemistry》上。

與現有方法相比，SODA在降低單細胞樣品預處理過程中的損失方面具有明顯優勢，這個結果也給了我們很大信心，它有可能解決單細胞樣品預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、刺激、多組學(如基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組等)分析等。”

高通量篩選

傳統的高通量篩選系統樣品和試劑的消耗通常在微升級。多數的微流控液滴系統適合生成大量的來自于單一樣品的液滴，當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，研制了多款應用于分子/細胞水平藥物篩選和蛋白質結晶篩選的高通量篩選平臺。在針對大規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及商品化儀器有明顯優勢。此外，在已經完成了基于單根探針的SODA系統基礎上，他們正在加快研發基于12根探針的超高通量SODA系統以實現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展做了類比。計算機的發展經歷了巨型化、臺式機化、筆記本電腦化、網絡化和智能手機化等發展階段，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(現場檢測)，但又與POCT有所不同。家庭檢測設備對儀器的自動化、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分析儀器普及到每個家庭，那么每個家庭都將成為大數據的一個產生源點，將這些數據匯集，將會給大數據、物聯網或者人工智能提供非常豐富的生物和化學數據支撐，而這是目前非常缺乏的。”談到這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。總得有人做，總得有人開始去做。而SODA技術就其特點來說，很有可能為此做出貢獻，所以我們現在非常想去推進。”

“我們希望達到的目標是，吸取一滴血，就可以進行生化、核酸、免疫和細胞等多類指標的檢測。”“其實這里面有許多難題，一滴血體積很小，只有30-50微升，另外血液很粘稠且成分復雜，對其進行定量量取和精準操控很有難度。”

目前，方群教授團隊已經完成一款基于SODA技術，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、逆轉錄和實時PCR定量分析，完成一個樣品中6個流感指標的檢測，且成本較市售類似產品大幅降低。最近，他們還實現了針對一滴血樣品的自動化血漿分離與定量稀釋，以及后續的血糖和膽固醇分析。

“從目前來看，SODA技術在進行微量樣品的多步復雜操作方面很有優勢，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，共同實現儀器的產業化，供大家使用。

后記

微流控領域已經發展了30年，最近該領域又頻現新的突破。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。”

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、手持式激光誘導熒光檢測器、小型流式細胞儀等，目前均已供實驗室內部使用，部分還提供給相關合作單位使用。