张祥民:微流控技术是分析领域的“潜力股”

2010-12-06 15:11 来源: 分析测试百科
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——访复旦大学张祥民教授

  不久前,由国家自然科学基金委、中国化学会分析化学委员会主办,复旦大学、上海交通大学承办的2010年微纳尺度分离和分析技术学术会议暨第六届全国微全分析学术会议在上海复旦大学隆重召开。大会间隙,本网记者有幸采访了大会组委会成员、复旦大学化学系的张祥民教授。

复旦大学化学系 张祥民教授

  微流控技术:样品用量少,速度快,效率高

  据张教授介绍,本届大会议题涵盖了微纳尺度分离的各个领域,包括:微流控、纳流控技术、微全分析、毛细管电泳 、毛细管高压液相色谱 、毛细管电色谱等,其中微全分析技术是会议的重点。微全分析是发展迅猛、交叉性强的一门新兴学科,强调的是一个分析系统;微流控是其中的核心技术,通过微通道将分离、分析、检测等各种功能集成化,强调的是集成。微流控技术目前已大大拓宽了其应用领域,已不仅仅局限于分析化学领域,还包括生物、物理、环境、制药等等各种领域。

  除了功能集成化,微流控技术明显的特征是:样品用量少、速度快、效率高,尤其在进样量上表现的最为突出。比如,商品化的液质联用芯片就是一种耗样量少、分析快速的技术。在日常分析中,一些生物样品的进样量需控制在纳升级,并要求高精度进样。以前的毛细管电泳虽然可以达到微/纳升量级,但难以控制进样精度。微流控技术的兴起,帮助科学家们实现了微/纳升的精确取样,并可获得良好的重现性和检测灵敏度,类似的纳升级进样定量不准的难题正在被一一攻克。在今后的临床诊断中,微流控进样将发挥更大的作用,将能够控制单个细胞甚至几个分子的进样。


  微流控技术产业化面临挑战

  微流控在提高分析效率、节约样品量以及在解决问题的深度和广度上都存在很多优势,那么关于微流控技术的产业化目前是什么状态呢?张教授讲到:微流控技术是技术密集型的新兴领域,涉及到很多交叉学科,它的发展目前还面临各种挑战。

  微流控研究自90年代在国内外日渐兴起,在基础研究领域发展很快,但相关产业化技术还不是很成熟,真正商品化的产品不是很多,有几个明显的原因是:(1)评估生产和使用成本、环境保护、批量生产等因素,微流控技术的优势要获得充分发挥尚需要一些时间;(2)微流控的管路较细,诸如微量阀这样的器件在实际使用过程中容易堵塞,这些问题都需要在得到解决,才能进一步推动产业化进程。

  当问及微流控芯片与便携仪器的相关性时,张教授说,两者有一定的相关性,微流控芯片很小,但并不代表用上微流控的仪器就一定是小的,比如安捷伦的纳流液相系统,微流控芯片只是作为大的质谱系统前端的一种进样系统。当微流控真正实现大规模的产业化之后,基于微流控技术的微型化与集成化,可以将其做成便携式仪器,将可用于现场检测、应急分析、家庭应用、临床诊断等领域。


  构建多维、多模式、阵列式色谱分离系统平台 实现蛋白质组样品快速分析与分离

  张教授目前主要从事蛋白质组学新技术、新方法的研究,应用微流控相关的技术,课题组构建了阵列式二维液相色谱分离蛋白组样品技术平台,利用该平台并结合高通量TOF/TOF质谱,可完成蛋白质组样品的快速分离与分析。

用于蛋白组学分析的多维阵列色谱分离系统平台示意图

多维阵列色谱分离系统核心部分毛细管阵列实物图

多维阵列色谱分离系统

  阵列式二维液相色谱分离蛋白组样品技术平台(2D array HPLC-MALDI-TOF/TOF-MS)系统采用了多项新技术,通过多通道的接口与切换阀使系统在第一维离子交换色谱分离的基础上,进行第二维18根毛细管反相液相色谱的并行式分离。这样将样品分析时间缩短18倍,提高了工作效率。

  当问及该平台如何进行具体操作时,张教授耐心为我们作了讲解。阵列式二维液相色谱分离蛋白组样品技术平台以离子交换色谱为第一维色谱分离模式,通过HPLC梯度泵1对蛋白质样品进行盐梯度淋洗分离;离子交换色谱柱分离过程中产生的色谱馏分,以特定的时间顺序依次由多位切换阀切换到18个蛋白质捕集柱阵列上进行富集、除盐;之后,再以反相液相阵列色谱柱作为第二维,将HPLC梯度泵2将捕集到的全部蛋白质,通过反向切换转移到RPLC阵列毛细管柱上进行同时分离;最后经色谱分离的组分经过18个通道的接口,并排点样到质谱的MAIDI靶板上进行酶解与分析。

  张教授补充说,在以上工作的基础上,课题组还发展了快速靶上酶解技术。采用该技术可在5分钟内完成所分离全部蛋白质的酶解,之后利用质谱进行高通量鉴定。

  通过利用阵列式二维液相色谱分离蛋白组样品技术平台可自动完成进样、分离、浓缩、再分离及点样等步骤,并在3.5小时完成上千种蛋白质的分离,最后结合高通量TOF/TOF质谱,实现目前国际上最快的蛋白质组样品分离、分析。


  蛋白质组学研究:从定性到定量 需提高检测灵敏度

  在全球科学家的努力下,近来蛋白质组学研究的热点已经从定性分析(生物标志物发现)走向定量蛋白质组研究,在临床应用上将有巨大潜力。据张教授介绍,目前蛋白质组学定量分析存在很多技术难题,如要求前处理过程不丢失样品、保证纳升级进样量的准确性、分析过程不丢失样品信息,此外还需要提高检测仪器的灵敏度。

  关于检测灵敏度,张教授谈到,很多在ppb级以下的低丰度蛋白与疾病的发生有密切关联,是疾病诊断的生物标志物;但目前常规的仪器设备还做不到ppb级以下的灵敏度,达不到精确定量的分析要求。

  张教授列举了一个有关蛋白质糖链修饰的实例。很多疾病的发生都与蛋白质的修饰有关,比如在甲胎蛋白(一种糖蛋白,缩写为AFP)中对其功能起修饰作用的糖链。一直以来,甲胎蛋白被认为是诊断原发性肝癌等疾病的特异性肿瘤标志物。正常情况下,甲胎蛋白主要出现在胎儿发育期。因此正常成人血清中甲胎蛋白的含量不到20微克/升。传统认为,若甲胎蛋白出现异常表达,比如含量过高则说明人体患癌症几率增大;但事实上仅检测甲胎蛋白含量,并不能作为判断癌症发生的唯一指标,因为此时对蛋白质起修饰作用的糖链可能存在差异。若通过一种检测方法判断出蛋白质糖链修饰是否存在异常,就能排除甲胎蛋白临床诊断的假阳性,获得更准确的结果。但目前仪器灵敏度和对糖链结构区分能力还不够。

  在蛋白质组学定量被提上全球科学研究的日程上时,众多科学家都发展了各种定量技术,比如各种结合质谱的标记和非标记技术。张教授认为,高效分离技术(比如微纳升流速的多维色谱)将在蛋白质组学定量方面发挥更大的潜力。

基于多维色谱分离的蛋白质定量新方法--血浆蛋白质组


  微流控技术的应用前景广阔

  从整体来看,微流控芯片技术将在生命科学、医药、环境、材料、航空航天等领域发挥巨大作用。对于微流控技术的发展前景,张教授谈及了几点看法:

  微流控技术的发展与人们的生活是息息相关的,它作为一种微型化、集成化的分析技术,在实现民用化、家庭化方面具有极大的潜力。“利用微流控技术的优势,完全可以将它做成便携式的小型仪器,进入千家万户。等到微流控技术真正实现民用化的时候,每个人可以将所吃的食物、呼出的气体、分泌或排泄的代谢物等,完成独立检测,就像用PH试纸一样简单。”

  同样随着研究的深入发展,微流控技术在环境污染物,爆炸物分析等方面也将发挥出越来越重要的作用。


  兴趣是支撑年轻的科研工作者进行微流控研究的重要因素

  最后,张教授对于未来年青科研工作者提及了几点期望。

  微流控是一门多学科交叉领域,涉及了化学、物理、生物、电子加工等等学科,从这个角度上看,微流控技术的研究需要的是具有综合背景的复合型人才。但人才不是天生的,后天的兴趣才是主要因素。年轻的科研工作者只有拥有了兴趣,才能去喜欢微流控这项研究,才能具有对科学的探索精神,微流控技术才能长远地、更好地发展下去。


  人物简介

  张祥民,复旦大学教授,博士生导师。1983年毕业于河南师范大学获理学学士学位,1994年于中国科学院大连化学物理研究所获理学博士学位。1986.7中国科学院大连化学物理研究所国家色谱研究中心工作;1994.7复旦大学做博士后研究工作,后留复旦大学化学系工作至今。2004在德国Tuebingen大学作为客座教授开展学术交流与合作。承担了国家“973“项目中蛋白质组学新方法、新技术研究课题,主持承担了 “八五”、“九五”、“十五”攻关项目等二十余项。已培养招收博士生14名。荣获上海市优秀青年教师称号。