林炳承

林炳承研究员 　　中国科学院大连化学物理研究所林炳承研究员于近日当选为英国皇家化学学会会士(Fellow of the Royal Society of Chemistry，FRSC)。林炳承研究员长期从事毛细管电泳和微流控芯片的研究，并以医学诊断和药物筛选为研究和应用的主要背景，在理论、技术平台、方法发展及重大应用等方面取得了一系列的成就，在国际、国内相关领域产生了重要影响。 　　英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry)成立于1841年，是国际上最有影响的学会之一，根据专家推荐，学会每年遴选英国及国际上在化学科学研究领域取得杰出成就和为推动化学科学发展做出卓越贡献的科学家为其会士。林炳承研究员是中科院大连化学物理研究所继李灿院士、张存浩院士、林励吾院士、沙国河院士和包信和院士之后又一位获此荣誉的专家。 　　附录：在芯片上构建实验室——访中国科学院大连化物所林炳承教授

说到实验室，大家一定不会陌生，生物实验室、化学实验室、物理实验室以及医学实验室等等，虽然它们的功能不尽相同，但有一点是一样的，就是不论多么简单的实验室，至少需要一个房间的空间，用来摆放仪器并给研究人员提供工作场所。而微流控芯片实验室从传统意义上看确实是一种非常特殊的实验室，它只有几平方厘米这么大，却能完成通常需要整个实验室才能完成的工作，就好像有神奇的魔力把实验室里不同的单元操作同时变小，并互相联系起来一样。　　笔者第一次接触微流控芯片实验室的概念是在2004年于长沙举行的中国化学会第二十四届学术年会上。当时，来自中科院大连化物所的林炳承教授在大会上做了题为“生命科学中的微流控芯片实验室”的学术报告。现在我还依然能清晰地记得，林教授的报告结束后得到了与会代表极其热烈的掌声。林教授在会上表示，在科学技术迅猛发展的今天，以芯片毛细管电泳为核心技术之一的芯片实验室技术正以强劲的势头向生命科学的各个相关领域渗透。　　那么，很多业内人士也许会问，芯片实验室的概念是如何提出的？芯片实验室在国际上已发展到什么程度？我国在这一领域的工作又处于什么状态？它的产业化前景究竟如何等等？而这些话题恰恰也都是笔者非常感兴趣的。2005年5月，笔者专程赶赴大连，对林炳承教授（以下简称林）就相关话题进行了专访，林教授为笔者（以下简称Instrument）解答了上述的疑问。Instrument：林教授，您好！首先能否请您向仪器信息网的广大网友们介绍一下什么是芯片实验室？特别是微流控芯片这一概念大概是什么时候，如何提出的？这一技术最大的优势是什么？林：好的。微流控芯片实验室又称芯片实验室（Lab-on-A-Chip)或微流控芯片(Microfluidic)，指的是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和大规模集成，高通量是大规模集成的一种形式。　　微流控芯片实验室以微流控技术为基础，它有别于另一类以静态亲和杂交技术为核心的微孔板芯片，后者没有流通网络，没有分离，专用于DNA或蛋白质，通常被国内的大众媒体称之为 “生物芯片” ，以DNA芯片为典型代表。在一段时期的学术刊物中，微全分析系统（m-TAS）往往和微流控芯片实验室混用。事实上，较之微全分析系统，微流控芯片实验室的外延更宽，内涵更为丰富。微流控芯片实验室的最早期形式是芯片毛细管电泳，芯片毛细管电泳至今仍是芯片实验室中分离部分的主体。　　微流控芯片的概念最初是由瑞士Ciba-Geigy公司的A. Manz博士等在1990年提出的。当时的工作是从芯片电泳入手的，即把毛细管电泳的通道刻在一块芯片上，用以实现分离过程，这种芯片电泳体积小，分析速度快、样品需求量少。随着研究工作的逐渐深入，人们发现，微流控芯片不只是仅仅可以完成电泳的功能，电泳只是它能涉足的很多过程中的一种。譬如：如果在通道里面添加一些填料就可以作为色谱；也可以将样品前处理过程放在同一块芯片上完成；可以平行构建若干条通道以进行多样品同时分析；还可以在芯片上进行生化反应等。也就是说，微流控芯片有可能发展成为一个可以将不同的操作单元集成在一块片子上的平台。这个平台集样品前处理、混合、反应、分离、检测为一体，而不同的操作单元还可以灵活组合，规模集成，从而形成一个具有大规模集成功能的芯片实验室。这个实验室既可以做分离，又可以做分析，甚至可以做反应，尽管反应产物的量可能很少，但对于生物领域而言这并不是一个问题，因此微流控芯片技术也非常适合于当代系统生物学的要求。由此看来，微流控芯片已由最初非常单一的芯片电泳，而后的用于分析领域的微全分析系统，进一步发展到面向所有生物和化学领域的芯片实验室。　　前已提及，微流控芯片的基本特点是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和规模集成，目前一个重要的趋势是：集成的单元部件越来越多，且集成的规模越来越大。所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀、微泵；当然还包括微混合器、微反应器、微分离器和微检测器等。这样一种高度集成的微流控芯片平台，具备物料耗量低，运行时间短，价格低廉，使用安全，通量高，污染小等特点，形成了微技术领域的一种固有优势。Instrument：那么，作为一个完整的微流控芯片实验室主要是由哪几部分组成的呢？每一部分所起到的作用是什么？林：按照目前的理解，一个完整的芯片实验室大体包括三个部分：一是芯片；二是包括驱动源和信号检测装置在内的芯片工作站；三是包含有实现芯片功能化方法和材料的试剂盒。　　芯片本身涉及到两个方面：一是尺寸；二是材料。现有典型的芯片约为几个平方厘米，一般的通道尺寸为10～100mm宽，5～30mm深，长度约为3～10cm。可用于芯片的材料最常见的为玻璃，石英和各种塑料。玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，可用比较熟悉的化学方法进行表面改性，但加工成本较高，封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）以及聚碳酯（PC）等，它们成本低，可用物理或化学方法进行表面改性，制作技术和玻璃芯片有较大的区别。　　样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用，这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。人们常采用由高压电源产生的电场力或泵产生的正、负压力作为驱动源。此外，芯片内产生的信号需要被检测，目前最常用的检测手段是激光诱导荧光，此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。激光诱导荧光检测器的特点是检测灵敏度高，但现阶段其体积仍然偏大；电化学检测由于其体积较小，与高压电源一起可制成便携式仪器，在尺寸上和芯片实验室的概念匹配，加之有电化学响应的物质很多，所以在芯片中的应用研究较多。驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分，其体积的大小直接决定了微流控芯片仪的大小，因此人们正努力追求这两部分体积的最小化。　　有了芯片和检测装置是否就可以开始进行工作了呢？还不行。一般而言，还需要试剂盒。譬如，你要利用芯片实验室进行某一生物样品的反应或者是分离，那么你就需要有一定的方法，一定的介质，而这些都包含在我们所谓的试剂盒当中。也就是说，针对不同的应用对象，需要有不同的试剂盒。譬如，对于一个简单的测试，所需要的试剂盒可能是一种缓冲液和一种标样，也可能是一种手性拆分剂等等。试剂盒所包含的物质是在方法研究的过程中得出来的，如果说仪器和芯片是芯片实验室硬件的话，那么对于不同的应用对象而言，则还需要有千变万化的包含在试剂盒里的由方法和材料组成的“软件”，三者构成了一个完整的微流控芯片实验室。Instrument：从应用角度来看的话，您认为微流控芯片实验室主要将应用在什么领域，或者说将来还可能向哪些领域拓展？林：就我个人看法，在未来一段时期内，微流控芯片将被用于疾病预防与诊断、药物筛选、环境检测、食品安全、司法鉴定、体育竞技、反恐、航天等事关人类生存质量和安全的各个领域。而这其中将涉及到样品的各种处理，PCR反应和酶反应等生物反应，各种化学反应，细胞分析、核酸分析、蛋白质分析和各种小分子分析，分子与分子间、细胞与分子间以及细胞与细胞间相互作用等单元操作。就拿2003年的SARS来说吧，当时我们实验室采用自行设计的RT-PCR试剂盒，在自制的由聚合酶链反应（PCR）—毛细管电泳（CE）芯片和激光诱导荧光芯片分析仪组成的微流控芯片系统上，对SARS病毒和18例SARS患者咽拭子样品进行了分析和检测，实现了芯片上的聚合酶链反应和电泳检测的微流控芯片分析。这一成果很有可能发展成为SARS早期检测的一种新的手段。Instrument：从世界范围来看，目前，中国在微流控芯片实验室的研究方面处于一个什么样的水平，或者说是处在一个什么样的位置？能否请您对此作一个评价。林：芯片实验室开始为科学家们所关注是上个世纪90年代初的事情，到了90年代中后期，在世界范围内有一批科学家先后介入这一领域，其中包括中国科学院和国内一些大学的学者。我自己真正开始搞微流控芯片是从99年开始的。由于种种原因，中国科学家起步不是最早的，但我们正在以很快的速度追赶，国内有一些实验室的工作已经取得了很好的结果。　　以我们实验室为例，经过五、六年的艰苦努力，已经建立起了一套完整的具有自主知识产权的微流控芯片平台系统。包括：（1）自行设计研制了三类七台不同功能的微流控芯片仪；（2）自行设计研制了五种不同材料，不同集成度和不同结构的微流控芯片；（3）在芯片上完成了各种单元操作（膜、电泳、整体柱色谱亲和、PCR反应、酶反应、细胞培养、单细胞分析等）及其初步集成，例如在集电泳和凝集素亲和整体柱于一体的系统中，成功地分离了三种糖蛋白中的不同糖型；（4）在上述仪器和芯片上进行核酸、蛋白质、小分子的反应、分离、分析、手性药物的拆分和相互作用研究，实现了凋亡细胞活性氧类和谷胱甘肽的同时检测，以及细胞样品RNA的完整评价，并取得了单细胞裂解和内涵物测定的初步结果；（5）完成了SARS病毒基因后转录多重PCR检测，癌症病人P16基因甲基化DNA诊断和高血压基因筛查等的研究和相应的一定规模（分别为18例、159例和226例）的实际样品的测试，实现了微流控芯片系统的初级功能化。上述结果已申报40项发明专利，发表国外SCI学术论文34篇，其中近一两年被Angew. Chem. Int. Ed., Anal. Chem., Lab on a Chip 和Electrophoresis等高影响因子学术刊物录用的计16篇。　　比较客观地讲，中国在微流控芯片方面的研究已经得到了国际同行学者的广泛承认，中国相关实验室的研究水平即使是在世界范围内，也是处于一个比较靠前的位置。按照目前的趋势，五年以后微流控芯片将会在国内业界得到非常广泛的研究与应用。当然我希望这个时间能够再缩短一些，我们的发展能更快一些。Instrument：就微流控芯片这项技术而言，发展到目前为止，是否已经非常完美了？还是说这项技术还存在某些缺陷需要在进一步的研究过程中得到解决？林：芯片实验室的发展前景广阔，但现有的芯片实验室的研究水平和人们预期所要达到的水平相比还有一定差距。研究工作的难点有几方面：一是微量样品与检测准确度的矛盾，芯片体积小，样品用量少，运行速度快，这给检测的准确度和精密度都带来难度。这一问题的产生往往是由于初期对这种技术掌握不够，或是在制造方面有某种缺陷造成的。随着这项技术的逐渐普及，加工水平的逐步提高，这一问题是可以被克服的；二是芯片的小尺寸与检测器等相对较大体积的“外部世界”之间的矛盾。这一问题应当也是发展过程中的问题，而不是技术的根本性缺陷。譬如：传统的质谱仪一般都体积庞大，与芯片实验室的发展不匹配。但近来质谱芯片的研制已有报道，这种质谱芯片将离子化腔、加速电极、漂移腔、检测阵列等器件集成在只有几枚硬币大小的硅片上，检测质量达10-12克。所以说随着微纳米技术的发展，检测装置小型化的问题是有可能得到解决的。　　目前困扰科学家的一个问题是，微流控芯片系统至今为止还没有拿出一个能够让大家为之一振的“有杀伤力”的，也就是说其他手段无法替代的应用成果，国外称之为Killer Application。目前，全球许多实验室，包括我们在内的，都在为此努力的工作。我相信，Killer Application迟早是会出现的。现在在某些领域，譬如细胞培养和分析方面，微流控芯片的独到性已经有所反映。　　但是，我们不能等到Killer Application出现以后再进入这一领域，一名优秀的科研工作者必须要尽可能多地参与一项研究的发展进程。如果中国科学家不能积极、主动地参与微流控芯片平台的发展过程，那么若干年后，相当一批芯片仪器就不得不从国外进口，而我们所能做的只是用买来的国外商品仪器做一些零零星星的应用工作。中国在很多高端分析仪器上吃亏，就是因为这个问题，这不能不说是我们的一个悲哀。目前，在微纳米技术领域，微流控芯片是我国和国外差距比较小的一个分支，如果能够有更多的人参与进来，特别是如果能有相关企业投入到这一领域，最终将极大推动这一平台研究的产业化进程。Instrument：谈到产业化问题，您认为微流控芯片技术的产业化前景如何？它的市场有多大？国外是否已有商品化产品出现？林：我先回答你的后面一个问题。据我所知，加拿大和日本已有个别通用性实验室用产品出现，但是价格普遍昂贵。像一块简单的玻璃芯片大概要200美金，一套带UV检测的工作站要卖3万欧元左右。而且，日本的产品还不卖给中国人，只销往欧美地区。此外，安捷伦公司2004年也首次拿出了芯片LC-MS的构思，虽然还不是很成熟，但从中我们可以看到微流控芯片已经进入到了实质性的商品开发阶段。　　就我们实验室而言，目前我们开发的芯片和芯片工作站大体已到了准商品化阶段，香港大学已经订购了我们的一套系统。作为一家中科院的科研机构，搞产业化确实不是我们的长处，但我们也试图在这方面进行一些探索，我们最终的目标是希望广大的中国用户都能够用得起中国人自己的产品。如果说微流控芯片作为临床诊断的一种工具，距离最终进入医疗机构可能还有一段路要走的话，但它作为一种通用性平台被广泛应用在大专院校和科研机构的生物实验室也就是未来几年的事情。微流控芯片最终的出口应当是在超市，一旦达到民用化程度，其市场潜力将是不可限量的。　　我个人认为，微流控芯片实验室已经到了产业化的前夕，我希望有远见的企业家尽快介入到这一技术的发展过程中来，大家同舟共济，一起滚打几年，一起来改进技术，培育市场，共同发展。某种意义上说，这也是一种机会，等市场完全成熟了再介入进来可能就太晚了一些。Instrument：有一个关于您个人的问题也是我非常感兴趣的。您原来是搞毛细管电泳的，而且在毛细管电泳领域取得了非常突出的成就（编者注：林炳承教授目前是《Electrophoresis》杂志的副主编），在这种情况下，是什么原因使您甘冒一定的风险，转到微流控芯片这个全新领域的呢？在进入到一个完全崭新的领域后，您遇到的最大的困难是什么？林：作为一名科学家，有几种素质是很重要的，比如说洞察能力和把握能力，他应能看得远一些，看到现时不为别人重视，却又极具发展潜力的前瞻性、方向性的重大问题，作一个大一点的布局，并且能够不失时机地紧紧抓住，使他所领导的课题组从事的研究工作符合几年甚至十几年后学科发展趋势，并且尽可能地满足社会民生的实际需求。　　当然要做到这一点不那么容易，特别是当你已是一个资深科学家的时候，在原来的那个领域你可能已经很有地位，也可能已得到国内外同行的公认，但是到一个新的领域，昔日的光环不复存在。这需要判断，需要勇气，需要重新学习，有时甚至需要从零开始。这样的做法，对自己会很累，弄不好还可能很狼狈。但客观上却又往往很重要，因为你所孜孜以求的可能关系到未来一段时期国家在世界上的核心竞争力，你还可能为国家培养出一大批急需的这一领域的高层次人才。　　坦率地讲，我们一开始确实非常不容易，全世界大多数实验室的起步时间非常接近，没有任何现成的东西可以借鉴。曾经有两年的时间，工作进展迟缓，一个又一个的障碍压得人透不过气来。我曾反复地问自己，“有没有看错”？就这样反复思考，反复实践，终于没有动摇。　　结果证明我们当时的决定是正确的，经过课题组同事和学生的不懈努力，我们终于建成了有自主知识产权的微流控芯片平台及其应用系统，取得了重要的阶段性成果。Instrument：那么，您认为微流控芯片未来的发展趋势是什么？您下一步的工作将主要集中在哪些方面？林：我想微流控芯片下一阶段的发展趋势应当是集成化和功能化。我们已反复强调多种单元技术在微小空间上的灵活组合和规模集成是微流控芯片的基本特点。集成化是大势所趋，集成化的目的是实现某种功能，满足社会的某种需求。总体而言，我们将依照上述我们对微流控芯片发展趋势的判断强化我们的工作。一方面我们将会推进芯片设计及操作单元集成化方面的研究。现在我们已经可以完成两个或三个操作单元的集成，譬如分析一个样品需要三个工序，样品处理——反应——色谱分析，这样三个过程现在已经可以放在一块芯片上完成。小集成已经做到了，规模化的集成将会继续研究下去，当然同时还要考虑芯片设计的优化；另一方面，我们将拓展微流控芯片的应用领域，在这方面，我们实验室已经做了大量的工作，应该说是非常有特色的，我们会继续保持这一优势，努力实现更多的功能化。比如我们要把血样固相萃取、膜分离、核酸提取、核酸PCR反应、扩增产物分离、检测等功能集成在一块芯片，用泵和阀控制整个流路，只要采一滴血输入，样品自动运行后即能得到最终体内某种DNA的分布结果。又比如，我们把细胞培养、分选、裂解、内涵物检测等单元操作集成到一块芯片上，观察不同细胞在相同药物作用下的不同反应，测定其某种成分在不同作用下的不同变化等等。这样一些具有DNA测定或细胞分析功能的微流控集成芯片就有可能因为样品量小、成本低廉、控制简单、省时省力而具有广阔的社会需求。　　在开展自身研究的同时，我们还将努力促进这一新兴领域的普及工作。在这一点上，我们希望能够和仪器信息网紧密合作。“没有普及就没有提高”，我们真诚地欢迎国内的有识之士和我们一道，将中国微流控芯片实验室的研究工作推向一个新的高度。　　后记：2004年9月的美国 Business 2.0 杂志封面文章将微流控芯片实验室称之为“改变人类未来的七种技术”之一。据不完全统计，目前全世界已至少有30多个重要的实验室（包括MIT，Stanford大学、加州大学柏史莱分校、美国橡树岭国家实验室等）和一批大公司在从事这一领域的研究和开发。作为中国优秀科学家的代表，林炳承教授在毛细管电泳研究达到顶峰时，凭借其敏锐的科学直觉，适时地把研究重点转到以医学诊断和药物筛选为目的的微流控芯片技术上，同时在这个过程中，林炳承教授领导的实验室形成了自己极具特色和核心竞争力的积累。在与林教授的交谈过程中，笔者深刻感到，林教授在他长期的科学实践当中，始终贯穿着“把握方向、长期坚持、强化积累、推动发展”这样一种坚定信念。联系电话：0411-84379065电子邮箱：bclin@dicp.ac.cn单位地址：大连市中山路457号 林炳承教授简历：　　从事分离分析方面的研究，并以生物医学和药学为研究和应用的主要背景，80年代以色谱为主，90年代为毛细管电泳，2000年起致力于微流控芯片实验室研究。　　林炳承教授课题组围绕系统生物学研究需要，以微流控芯片为主要平台，力图在细胞和分子层面，甚至是单细胞、单分子水平上，实现以不同单元技术灵活组合、大规模集成成为特征的疾病诊断和药物筛选。　　已发表论文约200篇，出版《毛细管电泳导论》（科学出版社）等著作5部，申请专利67项（发明44项），已授权22项（发明5项）。获辽宁省自然科学奖一等奖，中国科学院自然科学三等奖各一次。已培养研究生20余名，其中一名获全国百篇优秀博士论文奖。2001年全国优秀博士学位论文指导教师，2002年中国科学院优秀博士生导师。德国 Tübingen大学、美国Truman 州立大学、香港大学、意大利科学院客座教授，德国洪堡基金(AvH)、日本学术振兴会(JSPS) 研究员。任第一至六届全国毛细管电泳会主席或主席之一，第一至五届亚太国际微分离分析会主席或主席之一，JBBM 杂志编委，Electrophoresis 杂志编委，客座主持该刊两期编辑工作，2005年起出任Electrophoresis杂志副主编。

作者：林炳承中国科学院大连化学物理研究所摘要本文为作者在第八次全国微流控芯片高端论坛（2020.11.26-28）上报告的书面文字版，整理过程中增添了论坛上部分嘉宾的报告内容。文章以作者所领导的实验室 20 余年来在微流控芯片领域的研究积累为基础，结合近年来这一颠覆性生物技术的蓬勃发展，围绕着微流控芯片三个方面的核心应用，阐述我们所面临的战略性机遇和应对策略。2018 年 10 月 19 日，刘鹤副总理在答记者问时明确提出，“以生物技术和信息技术相结合为特征的新一轮科技革命和产业变革正在兴起，将会创造巨大需求”，微流控芯片是新一代“颠覆性”生物技术的突出代表 [1]。以微流控芯片为代表的新一代生物技术将会和信息技术结合，引发下一波科技革命，左右国家产业变革的战略布局 [2-3]。一 . 微流控芯片的三个核心应用 [4-7]应用反映需求，大量的研究和开发工作围绕着需求展开。微流控芯片有三个核心应用。其中之一是微流控检测分析芯片，这种芯片是新一代即时诊断（point of care testing，POCT）的主流技术，也是体外诊断（IVD）最重要的表现形式；二是微流控反应筛选芯片，微流控芯片还可被看成是迄今为止最重要的一种微反应器，它以液滴为主要特征，在高通量药物筛选，材料合成和单细胞测序等领域有巨大的潜力，其中的数字液滴显示了和电子芯片深度对接的战略前景；三是微流控细胞 / 器官芯片，这类芯片是对哺乳动物细胞及其微环境进行操控最为重要技术平台，可望大规模替代小白鼠等模型动物，用于验证候选药物，开展药物毒理和药理作用研究，实现个体化治疗。下面，将对这三个方面的应用逐一予以阐述。二 . 即时诊断1. 即时诊断现状即时诊断（POCT）是体外诊断的重要组成部分。微流控芯片是即时诊断的主要实现平台，微流控芯片通过即时诊断的方式实现体外诊断。在中国，微流控与体外诊断的绑定从政策层面得到了确认，现阶段国内有近 90% 的微流控芯片公司都从事体外诊断产品的开发。即时诊断的第一轮工作大多集中于以核酸分析为代表的分子诊断，以蛋白质分析为代表的免疫诊断和以代谢物分析为代表的生化诊断。当然，还有一些其他方面的工作，如血液诊断，微生物诊断等。在2020 年 11 月 400 名代表参加的第八届微流控芯片高端论坛上，有多达 40 余个企业参展【图1】，而 2018 年被 Yole 报告列出的中国微流控芯片公司的数目仅为 25 家。Yole 分析师最新数据统计显示，2019 年全球微流控试剂产品市场规模达到 99.8 亿美元，相应的微流控设备市场为 34.8 亿美元，2019 至 2024 年期间的微流控产品市场复合年增长率高达 11.7%，微流控设备市场复合年增长率为 10.8%，预计到2024 年，两类产品的市场将分别达到 173.8 亿美元和 58.1 亿美元 [8]。在我国，2018 年体外诊断市场约 600 多亿人民币， 而 POCT（非血糖）市场约为 100 亿。▲【图一】部分国产 POCT 产品2. 第二波 POCT 技术值得关注的是第二波 POCT 技术。一般认为，第二波POCT 技术的应用对象主要为单细胞分析，液体活捡，肿瘤早期诊断和抗药性试验等，而医生办公室用 DNA 测序，家用基因诊断以及以安全有效使用药品和生物制品为特征的随行诊断等也可能是第二波 POCT 技术的关注对象。从平台角度看，主要会包括 POCT 整机和 5G 等信息技术的联用，以及POCT 设备内部和电子技术的结合。单细胞分析已成为下一波即时诊断技术的重要对象。近年的很多证据表明，细胞群体，即使是很小的群体，都有很大的异质性，这和长期以来认为的细胞群体同一性观点背离，实际上，现行基于细胞同质性的基因表达测定所得的只是一种统计平均，它没有考虑单个细胞之间很小但是很重要的差异，带有误导性。单个细胞之间在大小，蛋白水平，表达RNA 的转录等方面有显著差别，而这些差别往往是肿瘤研究，干细胞生物学，免疫学，发育生物学和神经学中很多长期困惑人们的问题的关键所在。当细胞被用作药物时，则更为突出。陆瑶等从活的单细胞中捡测到 42 种不同的蛋白质，创当时文献的最高捡测记录 [9]。所开发的单细胞蛋白分析技术获美国发明专利授权，并由美国 Isoplexis 公司进行后续开发，产品在 2017 年年底获选美国科学家杂志（The Scientist） 当年度十大医疗技术发明第一名 [10]。这套系统能够同时捕获成千上万个单细胞的完整生物分子和功能信息, 能够更好地分析癌症患者对免疫疗法的治疗反应，提早预测包括细胞免疫疗法在内的抗癌免疫疗效。杨朝勇等则以核酸适体的高效筛选为基础，实现了单细胞的精准捕获与测序 [11]。从平台角度看， 关一民等提出的智能微流控反映了生物技术和信息技术结合的一种趋势。他们利用整晶圆集成 CMOS 前端与微流体 MEMS 后端，制备低成本智能微流体 CMOS- MEMS 芯片，实现对微量液体的自主，精准操作及控制。他们已经研制出一种用于黄曲霉素快速检测的 POCT 系统，并开始扩大到 3D 生物打印，医疗检测及精准用药等方面 [12]。微流控数字液滴可以被看成是 POCT 设备内部和电子技术的结合范例。基于电润湿原理，在二维平面上运动的微流控数字液滴技术因其操控灵活，形状可变，大小均一，又有优良的传热传质性能，已经被应用于需大量使用微反应技术的现代生物化学分析领域。值得一提的是，数字液滴可能因为其所具备的和电子芯片深度对接的能力而在第二波 POCT 中备受重视。在电场作用下，液滴在电介质表面的表面张力减小，因此接触角变小，液滴从未润湿变为润湿，这种表面张力的改变引发液滴受力不平衡，从而驱动液滴运动。可被视作为粒子的液滴一经带电，成熟的电子技术就可以源源不断的进入微流控领域，比如有源矩阵技术。有源矩阵技术是一种在电子行业常用的开关技术，通过与微流控数字液滴技术的结合，薄膜晶体管对行列交汇处的控制电极施加驱动电压，实现液滴移动的自动控制，有源矩阵技术能并行控制超大规模液滴阵列，比如，对于M 行N 列的阵列，利用有源矩阵技术可使所需电极数由原来的 M*N 剧减为 M+N，克服过多的电极引脚造成的空间缺失，全自动完成复杂和庞大样品前处理任务。南方科技大学程鑫和中科院大连化物所陆瑶，刘显明等合作，承担题为“微流控数字液滴中央处理仪器的研制与应用”的国家自然科学基金重大仪器项目，旨在通过微流控数字液滴中央处理仪器和大规模有源矩阵数字微流控液滴芯片的研制，实现微流控技术和电子技术的深度对接 [13]。蒋兴宇等把液态金属和用弹性高分子微流控芯片整合成柔性电子电路后，发现这些柔性电子电路可以在生物医学传感，组织工程，人用器官以及生物计算领域发挥非常大的作用。他们用液态金属和弹性高分子微流控结合 , 制备全柔性血氧传感器，全柔性汗液检测装置，电子血管和功能强大的血管支架 [14]。柔性材料还可制备可穿戴设备。Nature 曾报道一种集成模式，可以对人体体温及汗液中四种生化指标（葡萄糖， 乳酸，钾离子，纳离子）进行连续的定量检测的装置，还可通过多元检测得到不同检数据之间的相互矫正，从而提高检测结果准确性。在此基础上 , 刘宏等发展了相应的可穿戴生化传感技术。他们提出一种新的生物传感思路，研究出基于电解水辅助的电催化反应，发展了相应的无酶葡萄糖传感方法， 解决了无酶传感中的 pH 问题，实现了无酶的葡萄糖检测， 再将该传感器与智能手环，运动头巾等结合，用于监测汗液中葡萄糖的含量，寻求汗液葡萄糖和血糖的关係 [15]。三 .材料的可控合成和筛选这里所指的合成和筛选材料是微尺度的, 微尺度材料合成技术也被称之为微化工技术，它的基础是被视为最小微反应器的液滴。微化工技术因其混合速度快，传递性能好，以及反应条件均一可控，已成为化工学科的前沿方向之一，也是工程前沿和材料化学精准制备的新技术。微化工产业用的芯片兼具高精度的微观特征尺度和较大的宏观器件尺寸，并具有无法通过传统平面光刻实现的三维构型。程亚等利用超快激光微加工技术制造微化工芯片，开拓了这种芯片在微化工产业中的应用 [16]。对液滴技术的研究则更为广泛。方群等发展了一种基于序控液滴阵列技术的微流控液滴操控新方法（SODA），能自动完成对超微量液滴的生成，融合，分裂，定位，迁移和分选等，SODA 技术具有微量自动，操控灵活，通用性强，应用面广等特点，适合于超微量样品和试剂消耗下多种类，大规模的分析和筛选 [17]。林金明等致力于和质谱的联用 [18]。姜洪源等则提出利用低压交流电场实现双乳内核融合，释放等精准操控的新方法 [19]。以微流控芯片为平台，以分散的液滴单元作为微反应器， 通过制备相对简单的微球，比如氧化物，可以打通芯片合成材料的技术路线。微流控技术能够精确控制微量流体的运动速度并进而控制物质传递和反应条件，因此在制备纳米颗粒及微米颗粒时，不仅可以灵活调节颗粒大小、组成、结构（单分散性、壳层厚度，以及其它内部结构）、形貌、分布以及其他物理化学性质，还可以通过微颗粒结构和构成微颗粒的各组分的灵活结合以赋予其更加多样化的功能，从而为新型微颗粒型功能材料的设计和研制提供新的思路和途径。骆广生等把液滴用于微尺度材料合成，专门研究“微尺度流动与材料的可控制造”，并对高端材料化学品予以特别关注 [20]。某种意义上说，药物也是材料。液滴微流控芯片也被广泛用于药物的筛选，比如工业酶。用紫外光照射可产生全基因变性的酵母细胞库，将其和荧光酶底物一起包进液滴，被包进液滴的酵母细胞产生酶，消化底物，因此增加液滴的荧光，在孵化后，将液滴按它们荧光强度的不同分开，这类方法试剂消耗量小（μl 级），筛选速度快（1000 倍），费用还低（100 万分之一）[21]。四 . 器官芯片药物研究的一个重要环节是临床前动物实验，临床前动物实验的弊端包括：化费极大，耗时极长，存在动物权、动物伦理等问题，最根本的是， 动物到底不是人，因此结果往往不准。一个典型案例是2016 年，法国科学家研发的一种已经完成动物试验的神经退行性药物，开始进行一期临床试验，六名健康志愿者中有一名脑死亡，四名病危，法国朝野震惊 [22]。药企的一个重要观点是，他们也并不看好动物试验，但是，他们没有更好的办法。器官芯片的发展提供了一种可能的替代途径。1. 器官芯片已经有很多课题组开展单一或多种器官芯片的研究。林洪丽等构建不同的肾脏芯片用于研究各种不同肾脏病的发生发展机制。比如，高血压肾的损害是促进慢性肾脏病进展至终末期肾脏病的原因之一，他们将肾小球内皮细胞，肾小球基底膜与足细胞共同培养于流体小室中，构建了具有滤过功能的“肾小球”芯片，在这样的模型上，发现高流量灌注会损伤滤过屏障功能，並引起肾小球内皮细胞与足细胞的损伤 [23]。王琪等构建了肺癌脑转移多器官仿生模型 , 该模型由上游仿生肺及下游以血脑屏障为核心结构的仿生脑组成 , 再现上游肿瘤细胞侵袭进入循环到达下游靶器官 , 突破血脑屏障，进一步形成脑转移的病理全过程 , 实现了对复杂病理过程的可视化检测 [24]【图 2】。张秀莉，罗勇等构建了肝 , 肾和心脏芯片并成功地把它们作为药物毒效学评价平台 [25]。赵远锦等利用微流控技术制备了一系列结构功能特异的生物材料，解决器官芯片构建所遇到的瓶颈问题 [26]。张炜佳等则构建了主动脉器官芯片，并实现了一些生物力学模拟 [27]。▲【图二】肺肿瘤脑转移芯片示意 [24]器官芯片是一种多通道，包含有可连续灌流腔室的三维细胞培养装置。器官芯片由两大部分组成，一是本体，由相应的细胞按实体器官中的比例和空间位置搭建；二是微环境，包括芯片器官周边的其他细胞、细胞分泌物和物理力 [28]。比如, 肝脏主要包括肝实质细胞，星状细胞，枯否细胞和内皮细胞， 分别占比约 58.9%，17.6%，14.7% 和 6%，而内皮细胞和肝星状细胞是空间上紧邻的两种细胞，HepG2 细胞部分空间占比大，与其他三种细胞形成的颜色条带形式不尽相同，其他三种细胞为线型或面型条带，HepG2 细胞则为三维条带。除了本体，还有微环境。陆瑶等用一种有 10 路平行通道的微流控芯片，连续测量 5000 多个单细胞在 4 个时间点的蛋白分泌物， 研究了人单个巨噬细胞对 Toll 样受体配体脂多糖(LPS) 的反应过程，揭示了不同蛋白在单个细胞中的四种不同的激活方式，并在相同的时间点对同一样本作单细胞 RNA 测序， 进一步证明了转录水平上存在两种主要的激活状态，分别用于翻译和炎症程序。结果表明，在一个表型均一的细胞群体中， 细胞内存在异质性反应 [29]。还有更多的报道指出, 肠道微环境中很小的剪切力就能极化上皮细胞，形成折叠的绒毛，在肾近端肾小管芯片上，把单一的上皮细胞层暴露在流体剪切力的尖端，能改变上皮细胞的极性，导致离子的移位，形成初级纤毛，纤毛突的平均长度为 10±3.5μm [30]。2. 器官芯片研究的下一波走势普遍认为器官芯片的下一波走势是：从器官芯片本体的构建到本体 + 微环境的仿生；从单一生理模型的构建到千变万化的类器官病理模型仿生；从单一细胞种植方法的发展到3D 打印细胞种植方法的全面介入，以及从单一器官的完善到多器官芯片系统甚至人体芯片的构建。整体而言，则是从以研究为主到研究开发生产并举。▲【图三】高通量单细胞外囊泡的多指标分析 [31]以单细胞胞外囊泡分泌物多路表征为例说明微环境的仿生。陆瑶 , 刘婷姣等把微芯片平台的两个功能部分用于单细胞胞外囊泡分泌物多路表征，一是有 6343 个鉴定单元的微孔阵列用于细胞培养，二是有一组平行微流通道阵列的玻璃抗体条形码用于单细胞囊泡的缚获和检测。这一高通量平台具有通过分泌的囊泡显示单细胞异质性的能力，【图 3】为单细胞外囊泡的多指标分析工作流程示意（上）并显示可视化聚类分析口腔鳞癌细胞系及肿瘤患者样本的功能亚群（下）[31]。在器官芯片中有一种值得注意的类器官技术，类器官是指在体外对干细胞进行诱导分化形成的在结构和功能上都类似于目标器官或组织的三维细胞复合体，具有稳定的遗传学特征，能在体外长期培养。把器官芯片技术与类器官技术结合， 形成类器官芯片技术。这样 , 通过使用患者的诱导多能干细胞（iPSCs）可在芯片上建立各种各样的类器官病理模型，并在体外模拟和重现。类器官芯片可以实现对药物药效和毒性进行更有效、更真实的检测，也可用于个体化治疗。由于类器官可以由人类 iPSCs 直接培养生成，相比于动物模型，会在很大程度上避免因动物和人类细胞间的差异而导致的检测结果不一致性 [32]。3D 生物打印是对传统器官芯片细胞接种方式的一种革命。关一民团队研发了一种由 3D 生物打印机打印的肝芯片 , 他们先把细胞定量图案化接种，再用24 个细胞培养杯在培养板上形成 4 通道密封的流道结构，让细胞在培养杯定量成球培养，将培养板固定在生物打印机平台进行细胞打印，这样实现了用单细胞打印定量接种均一粒径的细胞团，进而打印器官的技术路线 [33]。还有一个比较著名的案例是 , 美国 Rice 大学团队提出一个 3D 打印的肺状系统，充满气蘘，可以扩张和收缩，具备肺通过向血液泵入氧气而发挥的生物功能。“人体芯片”是一个基于干细胞技术，由器官芯片、仪器和软件组成人体仿真系统，为人体内部的生理和病理过程提供高仿真窗口的技术平台。“人体芯片”的研发过程是：在研制出一系列不同的单一器官及其微环境的基础上，引入液体处理机器人和移动显微镜，开发定制软件，把多重器官的芯片组合，使多个器官芯片共置于一个标准的组织培养孵化器里进行自动化培养，灌注，介质添加，流体连接，样品收集和原位显微镜成像，并通过芯片对多器官人体灌注示踪剂（比如菊粉）的分布作定量预测，最终构建系统化，可灵活拆卸组装的“人体芯片”。“人体芯片”可为人类开展个体化治疗、药物筛选等提供仿真度极高，可靠性更好的技术平台，因此大幅度改善人类生存质量。这样的“人体芯片”应当是生物技术领域的“国之重器”。微流控芯片正处于一个重要的发展阶段，这一阶段的发展具有战略性。已经置身于其中的学术界, 产业界人士宜抓住机遇, 承担起我们的社会责任，强化“学科交叉”，强化“全国范围内微流控芯片从业人员的协同创新”，贯徹 “以任务带学科” 的方针，全面推动微流控芯片技术发展。