張祥民：微流控技術是分析領域的“潛力股”

——訪復旦大學張祥民教授

　　不久前，由國家自然科學基金委、中國化學會分析化學委員會主辦，復旦大學、上海交通大學承辦的2010年微納尺度分離和分析技術學術會議暨第六屆全國微全分析學術會議在上海復旦大學隆重召開。大會間隙，本網記者有幸采訪了大會組委會成員、復旦大學化學系的張祥民教授。

復旦大學化學系 張祥民教授

　　微流控技術：樣品用量少，速度快，效率高

　　據張教授介紹，本屆大會議題涵蓋了微納尺度分離的各個領域，包括：微流控、納流控技術、微全分析、毛細管電泳 、毛細管高壓液相色譜 、毛細管電色譜等，其中微全分析技術是會議的重點。微全分析是發展迅猛、交叉性強的一門新興學科，強調的是一個分析系統；微流控是其中的核心技術，通過微通道將分離、分析、檢測等各種功能集成化，強調的是集成。微流控技術目前已大大拓寬了其應用領域，已不僅僅局限于分析化學領域，還包括生物、物理、環境、制藥等等各種領域。

　　除了功能集成化，微流控技術明顯的特征是：樣品用量少、速度快、效率高，尤其在進樣量上表現的最為突出。比如，商品化的液質聯用芯片就是一種耗樣量少、分析快速的技術。在日常分析中，一些生物樣品的進樣量需控制在納升級，并要求高精度進樣。以前的毛細管電泳雖然可以達到微/納升量級，但難以控制進樣精度。微流控技術的興起，幫助科學家們實現了微/納升的精確取樣，并可獲得良好的重現性和檢測靈敏度，類似的納升級進樣定量不準的難題正在被一一攻克。在今后的臨床診斷中，微流控進樣將發揮更大的作用，將能夠控制單個細胞甚至幾個分子的進樣。

　　微流控技術產業化面臨挑戰

　　微流控在提高分析效率、節約樣品量以及在解決問題的深度和廣度上都存在很多優勢，那么關于微流控技術的產業化目前是什么狀態呢？張教授講到：微流控技術是技術密集型的新興領域，涉及到很多交叉學科，它的發展目前還面臨各種挑戰。

　　微流控研究自90年代在國內外日漸興起，在基礎研究領域發展很快，但相關產業化技術還不是很成熟，真正商品化的產品不是很多，有幾個明顯的原因是：（1）評估生產和使用成本、環境保護、批量生產等因素，微流控技術的優勢要獲得充分發揮尚需要一些時間；（2）微流控的管路較細，諸如微量閥這樣的器件在實際使用過程中容易堵塞，這些問題都需要在得到解決，才能進一步推動產業化進程。

　　當問及微流控芯片與便攜儀器的相關性時，張教授說，兩者有一定的相關性，微流控芯片很小，但并不代表用上微流控的儀器就一定是小的，比如安捷倫的納流液相系統，微流控芯片只是作為大的質譜系統前端的一種進樣系統。當微流控真正實現大規模的產業化之后，基于微流控技術的微型化與集成化，可以將其做成便攜式儀器，將可用于現場檢測、應急分析、家庭應用、臨床診斷等領域。

　　構建多維、多模式、陣列式色譜分離系統平臺 實現蛋白質組樣品快速分析與分離

　　張教授目前主要從事蛋白質組學新技術、新方法的研究，應用微流控相關的技術，課題組構建了陣列式二維液相色譜分離蛋白組樣品技術平臺，利用該平臺并結合高通量TOF/TOF質譜，可完成蛋白質組樣品的快速分離與分析。

用于蛋白組學分析的多維陣列色譜分離系統平臺示意圖

多維陣列色譜分離系統核心部分毛細管陣列實物圖

多維陣列色譜分離系統

　　陣列式二維液相色譜分離蛋白組樣品技術平臺（2D array HPLC-MALDI-TOF/TOF-MS）系統采用了多項新技術，通過多通道的接口與切換閥使系統在第一維離子交換色譜分離的基礎上,進行第二維18根毛細管反相液相色譜的并行式分離。這樣將樣品分析時間縮短18倍，提高了工作效率。

　　當問及該平臺如何進行具體操作時，張教授耐心為我們作了講解。陣列式二維液相色譜分離蛋白組樣品技術平臺以離子交換色譜為第一維色譜分離模式，通過HPLC梯度泵1對蛋白質樣品進行鹽梯度淋洗分離；離子交換色譜柱分離過程中產生的色譜餾分，以特定的時間順序依次由多位切換閥切換到18個蛋白質捕集柱陣列上進行富集、除鹽；之后，再以反相液相陣列色譜柱作為第二維，將HPLC梯度泵2將捕集到的全部蛋白質，通過反向切換轉移到RPLC陣列毛細管柱上進行同時分離；最后經色譜分離的組分經過18個通道的接口，并排點樣到質譜的MAIDI靶板上進行酶解與分析。

　　張教授補充說，在以上工作的基礎上，課題組還發展了快速靶上酶解技術。采用該技術可在5分鐘內完成所分離全部蛋白質的酶解，之后利用質譜進行高通量鑒定。

　　通過利用陣列式二維液相色譜分離蛋白組樣品技術平臺可自動完成進樣、分離、濃縮、再分離及點樣等步驟，并在3.5小時完成上千種蛋白質的分離，最后結合高通量TOF/TOF質譜，實現目前國際上最快的蛋白質組樣品分離、分析。

　　蛋白質組學研究：從定性到定量 需提高檢測靈敏度

　　在全球科學家的努力下，近來蛋白質組學研究的熱點已經從定性分析（生物標志物發現）走向定量蛋白質組研究，在臨床應用上將有巨大潛力。據張教授介紹，目前蛋白質組學定量分析存在很多技術難題，如要求前處理過程不丟失樣品、保證納升級進樣量的準確性、分析過程不丟失樣品信息，此外還需要提高檢測儀器的靈敏度。

　　關于檢測靈敏度，張教授談到，很多在ppb級以下的低豐度蛋白與疾病的發生有密切關聯，是疾病診斷的生物標志物；但目前常規的儀器設備還做不到ppb級以下的靈敏度，達不到精確定量的分析要求。

　　張教授列舉了一個有關蛋白質糖鏈修飾的實例。很多疾病的發生都與蛋白質的修飾有關，比如在甲胎蛋白（一種糖蛋白，縮寫為AFP）中對其功能起修飾作用的糖鏈。一直以來，甲胎蛋白被認為是診斷原發性肝癌等疾病的特異性腫瘤標志物。正常情況下，甲胎蛋白主要出現在胎兒發育期。因此正常成人血清中甲胎蛋白的含量不到20微克／升。傳統認為，若甲胎蛋白出現異常表達，比如含量過高則說明人體患癌癥幾率增大；但事實上僅檢測甲胎蛋白含量，并不能作為判斷癌癥發生的唯一指標，因為此時對蛋白質起修飾作用的糖鏈可能存在差異。若通過一種檢測方法判斷出蛋白質糖鏈修飾是否存在異常，就能排除甲胎蛋白臨床診斷的假陽性，獲得更準確的結果。但目前儀器靈敏度和對糖鏈結構區分能力還不夠。

　　在蛋白質組學定量被提上全球科學研究的日程上時，眾多科學家都發展了各種定量技術，比如各種結合質譜的標記和非標記技術。張教授認為，高效分離技術（比如微納升流速的多維色譜）將在蛋白質組學定量方面發揮更大的潛力。

基于多維色譜分離的蛋白質定量新方法--血漿蛋白質組

　　微流控技術的應用前景廣闊

　　從整體來看，微流控芯片技術將在生命科學、醫藥、環境、材料、航空航天等領域發揮巨大作用。對于微流控技術的發展前景，張教授談及了幾點看法：

　　微流控技術的發展與人們的生活是息息相關的，它作為一種微型化、集成化的分析技術，在實現民用化、家庭化方面具有極大的潛力。“利用微流控技術的優勢，完全可以將它做成便攜式的小型儀器，進入千家萬戶。等到微流控技術真正實現民用化的時候，每個人可以將所吃的食物、呼出的氣體、分泌或排泄的代謝物等，完成獨立檢測，就像用PH試紙一樣簡單。”

　　同樣隨著研究的深入發展，微流控技術在環境污染物，爆炸物分析等方面也將發揮出越來越重要的作用。

　　興趣是支撐年輕的科研工作者進行微流控研究的重要因素

　　最后，張教授對于未來年青科研工作者提及了幾點期望。

　　微流控是一門多學科交叉領域，涉及了化學、物理、生物、電子加工等等學科，從這個角度上看，微流控技術的研究需要的是具有綜合背景的復合型人才。但人才不是天生的，后天的興趣才是主要因素。年輕的科研工作者只有擁有了興趣，才能去喜歡微流控這項研究，才能具有對科學的探索精神，微流控技術才能長遠地、更好地發展下去。

　　人物簡介

　　張祥民，復旦大學教授，博士生導師。1983年畢業于河南師范大學獲理學學士學位，1994年于中國科學院大連化學物理研究所獲理學博士學位。1986.7中國科學院大連化學物理研究所國家色譜研究中心工作；1994.7復旦大學做博士后研究工作，后留復旦大學化學系工作至今。2004在德國Tuebingen大學作為客座教授開展學術交流與合作。承擔了國家“973“項目中蛋白質組學新方法、新技術研究課題，主持承擔了 “八五”、“九五”、“十五”攻關項目等二十余項。已培養招收博士生14名。榮獲上海市優秀青年教師稱號。