——訪復(fù)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(fù)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(shù)學術(shù)會議暨第六屆全國微全分析學術(shù)會議在上海復(fù)旦大學隆重召開。大會間隙，本網(wǎng)記者有幸采訪了大會組委會成員、復(fù)旦大學化學系的張祥民教授。

          復(fù)旦大學化學系 張祥民教授

    微流控技術(shù)：樣品用量少，速度快，效率高

    據(jù)張教授介紹，本屆大會議題涵蓋了微納尺度分離的各個領(lǐng)域，包括：微流控、納流控技術(shù)、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(shù)是會議的重點。微全分析是發(fā)展迅猛、交叉性強的一門新興學科，強調(diào)的是一個分析系統(tǒng)；微流控是其中的核心技術(shù)，通過微通道將分離、分析、檢測等各種功能集成化，強調(diào)的是集成。微流控技術(shù)目前已大大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，已不僅僅局限于分析化學領(lǐng)域，還包括生物、物理、環(huán)境、制藥等等各種領(lǐng)域。

    除了功能集成化，微流控技術(shù)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(xiàn)的最為突出。比如，商品化的液質(zhì)聯(lián)用芯片就是一種耗樣量少、分析快速的技術(shù)。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(shù)的興起，幫助科學家們實現(xiàn)了微/納升的精確取樣，并可獲得良好的重現(xiàn)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(fā)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(shù)產(chǎn)業(yè)化面臨挑戰(zhàn)

    微流控在提高分析效率、節(jié)約樣品量以及在解決問題的深度和廣度上都存在很多優(yōu)勢，那么關(guān)于微流控技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化目前是什么狀態(tài)呢？張教授講到：微流控技術(shù)是技術(shù)密集型的新興領(lǐng)域，涉及到很多交叉學科，它的發(fā)展目前還面臨各種挑戰(zhàn)。

    微流控研究自90年代在國內(nèi)外日漸興起，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域發(fā)展很快，但相關(guān)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)還不是很成熟，真正商品化的產(chǎn)品不是很多，有幾個明顯的原因是：（1）評估生產(chǎn)和使用成本、環(huán)境保護、批量生產(chǎn)等因素，微流控技術(shù)的優(yōu)勢要獲得充分發(fā)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(chǎn)業(yè)化進程。

    當問及微流控芯片與便攜儀器的相關(guān)性時，張教授說，兩者有一定的相關(guān)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(tǒng)，微流控芯片只是作為大的質(zhì)譜系統(tǒng)前端的一種進樣系統(tǒng)。當微流控真正實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化之后，基于微流控技術(shù)的微型化與集成化，可以將其做成便攜式儀器，將可用于現(xiàn)場檢測、應(yīng)急分析、家庭應(yīng)用、臨床診斷等領(lǐng)域。

    構(gòu)建多維、多模式、陣列式色譜分離系統(tǒng)平臺 實現(xiàn)蛋白質(zhì)組樣品快速分析與分離

    張教授目前主要從事蛋白質(zhì)組學新技術(shù)、新方法的研究，應(yīng)用微流控相關(guān)的技術(shù)，課題組構(gòu)建了陣列式二維液相色譜分離蛋白組樣品技術(shù)平臺，利用該平臺并結(jié)合高通量TOF/TOF質(zhì)譜，可完成蛋白質(zhì)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(tǒng)平臺示意圖

           多維陣列色譜分離系統(tǒng)核心部分毛細管陣列實物圖

                     多維陣列色譜分離系統(tǒng)

    陣列式二維液相色譜分離蛋白組樣品技術(shù)平臺（2D array HPLC-MALDI-TOF/TOF-MS）系統(tǒng)采用了多項新技術(shù)，通過多通道的接口與切換閥使系統(tǒng)在第一維離子交換色譜分離的基礎(chǔ)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(shù)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(zhì)樣品進行鹽梯度淋洗分離；離子交換色譜柱分離過程中產(chǎn)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(zhì)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(zhì)，通過反向切換轉(zhuǎn)移到RPLC陣列毛細管柱上進行同時分離；最后經(jīng)色譜分離的組分經(jīng)過18個通道的接口，并排點樣到質(zhì)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(chǔ)上，課題組還發(fā)展了快速靶上酶解技術(shù)。采用該技術(shù)可在5分鐘內(nèi)完成所分離全部蛋白質(zhì)的酶解，之后利用質(zhì)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(shù)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(zhì)的分離，最后結(jié)合高通量TOF/TOF質(zhì)譜，實現(xiàn)目前國際上最快的蛋白質(zhì)組樣品分離、分析。

    蛋白質(zhì)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(zhì)組學研究的熱點已經(jīng)從定性分析（生物標志物發(fā)現(xiàn)）走向定量蛋白質(zhì)組研究，在臨床應(yīng)用上將有巨大潛力。據(jù)張教授介紹，目前蛋白質(zhì)組學定量分析存在很多技術(shù)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(guān)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(fā)生有密切關(guān)聯(lián)，是疾病診斷的生物標志物；但目前常規(guī)的儀器設(shè)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(guān)蛋白質(zhì)糖鏈修飾的實例。很多疾病的發(fā)生都與蛋白質(zhì)的修飾有關(guān)，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(fā)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(xiàn)在胎兒發(fā)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(tǒng)認為，若甲胎蛋白出現(xiàn)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(fā)生的唯一指標，因為此時對蛋白質(zhì)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(zhì)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(jié)果。但目前儀器靈敏度和對糖鏈結(jié)構(gòu)區(qū)分能力還不夠。

    在蛋白質(zhì)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(fā)展了各種定量技術(shù)，比如各種結(jié)合質(zhì)譜的標記和非標記技術(shù)。張教授認為，高效分離技術(shù)（比如微納升流速的多維色譜）將在蛋白質(zhì)組學定量方面發(fā)揮更大的潛力。

            基于多維色譜分離的蛋白質(zhì)定量新方法--血漿蛋白質(zhì)組

    微流控技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊

    從整體來看，微流控芯片技術(shù)將在生命科學、醫(yī)藥、環(huán)境、材料、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。對于微流控技術(shù)的發(fā)展前景，張教授談及了幾點看法：

    微流控技術(shù)的發(fā)展與人們的生活是息息相關(guān)的，它作為一種微型化、集成化的分析技術(shù)，在實現(xiàn)民用化、家庭化方面具有極大的潛力?！袄梦⒘骺丶夹g(shù)的優(yōu)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(shù)真正實現(xiàn)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?！?/P>

    同樣隨著研究的深入發(fā)展，微流控技術(shù)在環(huán)境污染物，爆炸物分析等方面也將發(fā)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(lǐng)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(shù)的研究需要的是具有綜合背景的復(fù)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(shù)才能長遠地、更好地發(fā)展下去。

    人物簡介

    張祥民，復(fù)旦大學教授，博士生導(dǎo)師。1983年畢業(yè)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(fù)旦大學做博士后研究工作，后留復(fù)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(shù)交流與合作。承擔了國家“973“項目中蛋白質(zhì)組學新方法、新技術(shù)研究課題，主持承擔了 “八五”、“九五”、“十五”攻關(guān)項目等二十余項。已培養(yǎng)招收博士生14名。榮獲上海市優(yōu)秀青年教師稱號。