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方群:在微流控领域掌握自主知识产权

2010.12.23

  瞄准前沿 发挥优势 原始创新

  谈到浙江大学微分析系统研究所的成果,方群教授却先避开不谈,而是首先谈了研究所下一步的志向:“我们虽然取得了一些成果,但是感觉这些成果的影响力还不够大。2010年年初,所里举行了建所十周年所庆,总结了我们发的一些好文章、好成果;但我们还是觉得不够,我们总是想让自己做成的装置能够变成仪器,真正地让用户使用,能够很好地解决那些很难解决的实际问题。这样研究成果才能发挥更大的作用,这是今后我们研究所努力的一个重要方向。”

  欲了解研究所的志向,必须要先了解他们取得的一些创新的研究成果。

  研究工作1:微流控自动化试样引入

  “我的研究组的主要方向是微流控自动化试样引入技术的研究。研究所成立之初,所里的老师们齐心协力、花了不到半年时间就取得了很快的进展,解决了很多基本问题,如玻璃芯片的封接、激光诱导荧光检测、多触点电泳高压电源等。接下来摆在我们面前的问题就是做什么方向的课题了。可当时看美国分析化学杂志(Anal. Chem.,是国际分析化学领域的顶级刊物)上有关微流控芯片方面的论文,头一期看到,刚有些新想法,下一期别人就已经做出来发表了。这种跟随非常累,因为别人有基础有积累,而我们基础比较薄弱。

  所以我们就想找一个别人还没做的空白领域,看看当时的芯片毛细管电泳系统还存在什么问题,结果发现:当时的多数芯片系统一次只能做一个样品,如果换样品,操作会非常麻烦,要用移液器把样品吸出来,清洗,再把新样品放进去。我们就在芯片上做了一个上下打通的流通式试样引入通道,可以很方便地进行自动化的试样更换操作。这是2000年做的工作,2002年在Anal. Chem.上发表了文章。

  后来我们就一直沿着这个方向走下去,进行了一系列系统的研究,比如不断地减少试样的消耗,提高试样引入的通量,实现引入操作自动化等。在此过程中,我们提出了“缺口管阵列”试样引入技术。在这个技术出现后,我们以此为出发点,研究全面铺开了,将这项技术应用于微流控流动注射分析、顺序注射分析、高速毛细管电泳、液液萃取、液滴分析等。”

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  缺口管阵列试样引入系统

  详见视频文件http://g2.antpedia.com/v/news_video/117024/v4.flv.html

  为了让记者更好地理解什么是“缺口管”,方群教授拿出纸笔边画图边讲解,让记者一看就明白了。缺口管原来是在普通的PCR管底下,用小刀划出一个缺口,毛细管通过缺口进入管中溶液;因为缺口很小,管内溶液由于表面张力不会漏出来。毛细管连着芯片的通道,从缺口管这个地方滑过,就实现进样了。缺口管阵列试样引入技术由方群教授研究组首创,采用简单的系统和操作,即可实现以往采用复杂系统和操作才可完成的纳升级的试样引入,以及多个不同试样的快速切换,该技术可以用到很多微流控系统中。

  “这之后我们形成了自己的特色,开始还将毛细管同芯片耦连在一起,后来发现微流控系统不一定非要用芯片,有时用毛细管也可以解决问题,也可以达到很高的分析通量。因此我们提出一个新的想法,作为对微流控芯片分析系统的有益补充,可以发展一类基于毛细管的微流控分析系统(Capillary-based microfluidic analysis system, CBMAS)。这些系统不需使用复杂昂贵的微加工设备,就可以在普通化学实验室基于毛细管构建;他们不需要芯片,但还保持微流体操纵和控制的核心,而其分析性能却有可能达到与微流控芯片系统相当的水平。”

  当记者追问为什么他们会有这种创新的想法时,方教授说道:“我们建所之初,方院士就鼓励我们要发扬‘小米加步枪’的创业精神,要原创,还要发扬艰苦奋斗的作风。在经费和设备都没有国外多的情况下,我们必须比拼脑力,想一些简单、巧妙的方式解决一些麻烦的问题。”

  “1998年我刚开始做微流控芯片毛细管电泳研究时,常想这样一个问题:为什么芯片比普通毛细管电泳好?比如毛细管通常是20~50 cm长,而芯片的分离通道很短,只有2~5 cm,但芯片却比毛细管的分离速度更快、分离效率更高,那么用短毛细管能不能达到芯片一样的效果?后来我和学生试过多次,毛细管确实很难达到芯片的效果。当用毛细管进样后从一个样品脱离后,会有一大滴液体残留在毛细管壁上,由于表面张力,这一大滴液体就会在瞬间被吸入毛细管通道内,一吸进去样品区带就好长,有几个纳升。而芯片毛细管电泳的进样量是皮升级的,只有这样才能获得高速高效的分离。所以,用短毛细管怎么也做不出芯片的性能。直到有一天我有个学生在做实验后给我放一段实验的录像,那个实验并不是为了研究进样,而是为了引入一段荧光染料物质进行浓缩。我看到录像后发现她使用的毛细管中的进样区带只有100 ~ 200 μm长,就立刻问她是怎么进样的?她当时还不知道原因,回去重复了实验告诉我,这是由毛细管在脱离样品时移动速度很慢造成的。过去我们常认为,毛细管经过缺口管,移动越快进样越少;而实验结果是移动越慢进样越少。后来我们观察到,移动越慢,虽然残留在毛细管侧壁的液体多,但残留在其端壁的液体越少,这样进样量就越少。从观察到这个现象开始,我们连续做了两年多,做了很多深入的研究工作,建立了皮升级的平移自发进样方法,发表了一篇文章,在优化的条件下分离氨基酸,最高的分离效率能到5,000,000 每米塔板数。这个性能已经超过了绝大多数芯片毛细管电泳系统。这是我们目前比较满意的一个工作。

  讲到兴奋处,记者也深受其感染。因为外国公司或科学家早在2000年前就申请了关于芯片毛细管电泳的关键ZL;而那时中国国内的微流控芯片研究还处于起步阶段。如果只是跟踪模仿,今后国内相关仪器的产业化就会有问题,很难躲过国外ZL的覆盖和保护。方教授他们发明的这项技术,已申请了中国发明ZL并获得了授权。采用这项具有自主知识产权的技术建立的电泳系统,结构简单、容易操作,成本较低,却可以获得满意的效果。将毛细管前端磨尖了,通过平移台控制毛细管移动速度和插入深度,就可以实现低于100 皮升的进样(注:通常的毛细管进样大概在纳升级别,比这项进样技术要高几十倍到上百倍),可以获得高速毛细管电泳的效果。同时缺口管的来源非常简单,可以用普通的PCR管,甚至两个玻璃片一夹就可以实现。方教授说“这是我们自己的知识产权,我们很想把这项技术进行产业化。” “我们掌握了几种ZL技术:缺口管技术、毛细管平移自发进样技术,还有现在我们做的液滴组装技术。围绕毛细管,我们已可以构建很多类型的微流控系统,特点是:结构简单,成本低,应用广。这是我们目前研究的一个主要方向。” 笔者也衷心希望早日有有识之士能和方教授他们合作成功!

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