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芯片大世界

2016-11-19

分析化学 2016年4期
关键词:液滴尺度芯片

无论是为了降低试剂或样品消耗、提高分析速度,还是为了提高分析技术的微区分辨能力,实现单细胞及亚细胞水平的分析,微纳流体操控都是不可或缺的重要环节。毛细管电泳和微柱色谱充分体现了微尺度分析的优势,而上世纪90年代出现的微全分析系统(Micro total analysis systems)则带来了一种革命性的变化,诞生了一个新的学科,微纳流控技术(Microfluidics and nanofluidics)。微纳流控技术通常是指在微米及以下尺度的结构中操控纳升至飞升体积流体的技术和科学,在微纳尺度下独特的流体特征、界面效应及热传导性能,使其中发生的许多物理或化学过程与常规体系中的同类过程有显著的不同。毛细管电泳等技术优异的分析性能展示了微尺度分离的巨大潜力,微流控芯片的出现进一步将微纳流控体系推到了一个全新的高度。微流控芯片可以实现各种功能的高度集成,微全分析系统是一个典型的代表,通过适当的芯片设计可以将采样、样品预处理、反应、分离及检测等完整的分析过程集成在一个芯片上,这样的集成芯片也被称为“芯片实验室(Lab on a chip)”。经过二十多年的发展,微流控技术已覆盖化学、物理、生物、医学、材料科学、光学和微机电系统等众多领域,成为一个重要的交叉学科。

我国的微流控技术研究起步较早,早在1996年即有学者开始从事微流控芯片分析的研究。同时,微流控技术的研究得到了国家自然科学基金委和科技部的大力支持,先后启动了一系列与微流控研究相关的重大、重点项目,研究队伍不断发展壮大,众多高校和科研院所的大批优秀学者加入了这个队伍,使我国微流控芯片领域的研究进入国际先进行列。目前,中国学者在微流控技术及微纳尺度分析领域发表的研究论文数仅次于美国,为世界第二。在此发展过程中,一个重要的学术交流平台“全国微全分析系统学术会议”已成功举办九届。2012年开始,"全国微全分析系统学术会议"与"全国微纳尺度生物分离分析学术会议"、"国际微流控分析学术论坛"同时召开,进一步促进了学科交叉与融合。

滚滚黄河水,穿流过兰州。由中国化学会主办\,兰州大学承办的第十届全国微全分析系统学术会议暨第五届全国微纳尺度生物分离分析学术会议及2016国际微流控芯片与微纳尺度生物分离分析学术会议将于2016年5月6日~9日在春意盎然的兰州召开。会议由南京大学、复旦大学、浙江大学等协办。会议主题包括微流控学与纳流控学、微全分析系统、毛细管电泳、毛细管电色谱、高效液相色谱、微纳生物分析及相关的光谱、质谱和电化学检测技术,也涵盖了这些技术与系统在化学、生物、医学、药学、环境和食品安全等领域中的应用,是微纳流控及微尺度分析领域的盛会,得到了国内学术界的大力支持。为推动我国该学科的进一步发展,《分析化学》编辑部精心编辑“微流控芯片与微纳尺度生物分离分析技术”专辑。这本专辑包含评述9篇、研究报告13篇、NEWS 4篇,主要介绍微流控芯片及相关领域中的机遇与挑战、相关创新发展及新方法。

中科院大连化物所林炳承研究员以他的研究团队及合作伙伴的近期工作为基础,概述了微流控芯片的研究及产业化趋势,指出微流控芯片的研究已从平台和方法构建逐渐转向在不同领域的应用,并从应用需求中寻求解决科学问题,带动产业化发展。该评述重点介绍了微流控芯片在现代生物化学分析、即时诊断、材料的筛选与合成、组织与器官仿生、3D打印等微流控领域的应用,总结了国际国内微流控技术产业的蓬勃发展现状。

浙江大学方群教授等根据2015年国际微全分析系统会议的内容,从微流控芯片技术发展和应用角度,讨论了当前微流控芯片领域发展的热点和趋势。总结了液滴(多相)微流控技术、纸芯片、3D打印等微流控技术以及基于智能手机的检测、核磁共振波谱检测及基于拉曼光谱的单细胞成像等精测手段。指出在国际范围内微流控芯片的应用也主要集中在细胞分离/捕获、单细胞分析、器官芯片、即时检验和临床诊断等方面。

清华大学林金明教授等总结了微流控技术在细胞分析中的应用进展,系统地介绍了微流控芯片上的细胞培养、细胞微环境模拟和控制、单细胞分析、器官芯片以及微流控芯片与质谱技术的联用,展示了微流控细胞培养的优势。微流控芯片用于细胞分析不仅可以实现仪器的小型化,更重要的是适用于具有微小尺寸的细胞、细菌的研究与分析。他特别指出,微流控芯片与质谱技术的联用将在细胞分析领域开辟一片崭新的空间。

西北农林科技大学王进义教授等评述了液滴微流控在生物医学中的应用进展,从液滴微流控的特点出发,总结了被动法和主动法两类液滴生成方法,重点介绍了液滴微流控在分析检测、药物递送与释放研究中的应用,突出了液滴微流控的平台的优势,也指出了其不足之处和发展方向。

中山大学陈缵光教授、浙江大学牟颖教授、哈尔滨工业大学孙凯教授从不同的角度评述了微流控技术在核酸分析中的研究进展,显示了该方向的重要性。陈缵光教授等总结了微流控PCR芯片的研究进展,系统介绍了微池型、蛇行通道型、螺旋通道型、振荡型和闭环型PCR芯片的原理和应用,总结了芯片PCR的常用检测方法,列举了几个典型应用实例,指出在满足实验目的的前提下简化芯片结构、发展能在线检测的低成本、高速度、高通量检测方法是今后的研究重点。牟颖教授等评述了数字核酸扩增检测技术(dNAD)的研究和应用进展,介绍了dNAD的发展历程、基本原理,对孔板式、液滴式和芯片式三类dNAD进行了详细介绍,总结了dNAD技术在病原微生物检测、食品安全监测、临床诊断和基因组学研究方面的应用,展示了该技术的应用前景,也指出了目前研究尚存的不足和改进方向。孙凯教授等评述了DNA片段分选微流控芯片的发展现状,在介绍凝胶电泳、毛细管电泳等分选技术的基础上,着重介绍了芯片电泳分选的原理和发展、非目标片段的抑制方法、高通量分选以及商品化分选仪器,提出了高电场下快速移动片段的准确捕捉、重叠片段的准确分选、实用化高通量分选方法的建立及自动化体系的建立等新课题。

华东理工大学胡坪教授介绍了近年来器官芯片技术在构建人体生理学模型、药物研发及毒理学研究中的应用,并对器官芯片技术的发展前景进行了展望。北京化工大学范一强教授着重介绍了采用微立体光刻、熔融沉积成型以及喷墨打印等3D打印技术加工制作微流控芯片的方法,以及这些微流控芯片在分析化学、生命科学、医学诊断等领域的应用。

本专辑包含武汉大学何治柯教授等13篇研究报告,内容涵盖纸芯片、临床诊断、三维微阵列制备、新型检测技术以及基于智能手机的纸微流控电化学检测芯片等方向,与国际发展趋势一致,展示了国内微流控技术的发展水平。从这些评述和研究报告可以看出,微流控技术是典型的多学科交叉领域。为了促进该技术的进一步发展,大力宣传和吸引更多领域的研究人员,增进多学科之间的交流非常必要,这正是本届会议及这本专辑的宗旨。

诚挚感谢所有为本专辑撰稿的各位专家学者、感谢《分析化学》编辑们的辛勤劳动!我们与编辑们的心情一样,希望我国从事微流控芯片研究和有兴趣投入该领域研究的学者们能够喜欢这本专辑。让我们共同努力迎接微流控芯片研究生机勃勃的春天!

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