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林炳承——中國科學院大連化學物理研究所研究員

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最后更新：	2013-10-17

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林炳承，男，1944年11月21日出生于浙江寧波。現任中國科學院大連化學物理研究所研究員、博士生導師。

教育及工作經歷：

1962年考入南京工學院動力工程系。

1968年畢業后，在鞍山化工研究所工作十年。

1978年被錄取為中科院研究生。

1982年獲碩士學位。

1986年獲博士學位。

1987-1988年、1994年德國洪堡基金（ＡｖＨ）研究員。

1989年比利時布魯塞爾自由大學（VUB）訪問學者。

1992-2000年先后受聘為香港大學生化系、德國Ｔüｂｉｎｇｅｎ大學、香港大學化學系、美國Ｔｒｕｍａｎ州立大學、香港大學兒科系訪問教授；大連理工大學、西安交通大學、東南大學兼職教授。

1999年日本學術振興會（JSPS）研究員。

學術兼職：

1、第一至八屆全國微納生物化學分離分析會議主席或主席之一。

2、全國毛細管電泳專業小組組長。

3、第一至第五屆、第九屆亞太國際微分離分析學術會議和第一屆亞太國際芯片實驗室學術會議主席或主席之一。

4、中國化學會毛細管電泳專業組組長。

5、國家自然科學基金委員會化學部分析環境組評審委員。

6、科技部國家自然科學獎評審委員。

7、Electrophoresis 雜志副主編。

8、“Miniaturization in Asia Pacific”專輯客座主編。

9、Lab on a Chip雜志編委。

10、JBBM 等雜志編委。

培養學生情況：

培養博士、碩士研究生約50名。

在芯片上構建實驗室

——訪中國科學院大連化物所林炳承教授

說到實驗室，大家一定不會陌生，生物實驗室、化學實驗室、物理實驗室以及醫學實驗室等等，雖然它們的功能不盡相同，但有一點是一樣的，就是不論多么簡單的實驗室，至少需要一個房間的空間，用來擺放儀器并給研究人員提供工作場所。而微流控芯片實驗室從傳統意義上看確實是一種非常特殊的實驗室，它只有幾平方厘米這么大，卻能完成通常需要整個實驗室才能完成的工作，就好像有神奇的魔力把實驗室里不同的單元操作同時變小，并互相聯系起來一樣。

筆者第一次接觸微流控芯片實驗室的概念是在2004年于長沙舉行的中國化學會第二十四屆學術年會上。當時，來自中科院大連化物所的林炳承教授在大會上做了題為“生命科學中的微流控芯片實驗室”的學術報告。現在我還依然能清晰地記得，林教授的報告結束后得到了與會代表極其熱烈的掌聲。林教授在會上表示，在科學技術迅猛發展的今天，以芯片毛細管電泳為核心技術之一的芯片實驗室技術正以強勁的勢頭向生命科學的各個相關領域滲透。

那么，很多業內人士也許會問，芯片實驗室的概念是如何提出的？芯片實驗室在國際上已發展到什么程度？我國在這一領域的工作又處于什么狀態？它的產業化前景究竟如何等等？而這些話題恰恰也都是筆者非常感興趣的。2005年5月，筆者專程趕赴大連，對林炳承教授（以下簡稱林）就相關話題進行了專訪，林教授為筆者（以下簡稱Instrument）解答了上述的疑問。

Instrument：林教授，您好！首先能否請您向儀器信息網的廣大網友們介紹一下什么是芯片實驗室？特別是微流控芯片這一概念大概是什么時候，如何提出的？這一技術最大的優勢是什么？

林：好的。微流控芯片實驗室又稱芯片實驗室（Lab-on-A-Chip)或微流控芯片(Microfluidic)，指的是把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網絡，以可控流體貫穿整個系統，用以取代常規生物或化學實驗室的各種功能的一種技術。微流控芯片實驗室的基本特征和最大優勢是多種單元技術在微小平臺上的靈活組合和大規模集成，高通量是大規模集成的一種形式。

微流控芯片實驗室以微流控技術為基礎，它有別于另一類以靜態親和雜交技術為核心的微孔板芯片，后者沒有流通網絡，沒有分離，專用于DNA或蛋白質，通常被國內的大眾媒體稱之為 “生物芯片” ，以DNA芯片為典型代表。在一段時期的學術刊物中，微全分析系統（m-TAS）往往和微流控芯片實驗室混用。事實上，較之微全分析系統，微流控芯片實驗室的外延更寬，內涵更為豐富。微流控芯片實驗室的最早期形式是芯片毛細管電泳，芯片毛細管電泳至今仍是芯片實驗室中分離部分的主體。

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。當時的工作是從芯片電泳入手的，即把毛細管電泳的通道刻在一塊芯片上，用以實現分離過程，這種芯片電泳體積小，分析速度快、樣品需求量少。隨著研究工作的逐漸深入，人們發現，微流控芯片不只是僅僅可以完成電泳的功能，電泳只是它能涉足的很多過程中的一種。譬如：如果在通道里面添加一些填料就可以作為色譜；也可以將樣品前處理過程放在同一塊芯片上完成；可以平行構建若干條通道以進行多樣品同時分析；還可以在芯片上進行生化反應等。也就是說，微流控芯片有可能發展成為一個可以將不同的操作單元集成在一塊片子上的平臺。這個平臺集樣品前處理、混合、反應、分離、檢測為一體，而不同的操作單元還可以靈活組合，規模集成，從而形成一個具有大規模集成功能的芯片實驗室。這個實驗室既可以做分離，又可以做分析，甚至可以做反應，盡管反應產物的量可能很少，但對于生物領域而言這并不是一個問題，因此微流控芯片技術也非常適合于當代系統生物學的要求。由此看來，微流控芯片已由最初非常單一的芯片電泳，而后的用于分析領域的微全分析系統，進一步發展到面向所有生物和化學領域的芯片實驗室。

前已提及，微流控芯片的基本特點是多種單元技術在微小平臺上的靈活組合和規模集成，目前一個重要的趨勢是：集成的單元部件越來越多，且集成的規模越來越大。所涉及到的部件包括：和進樣及樣品處理有關的透析、膜、固相萃取、凈化；用于流體控制的微閥、微泵；當然還包括微混合器、微反應器、微分離器和微檢測器等。這樣一種高度集成的微流控芯片平臺，具備物料耗量低，運行時間短，價格低廉，使用安全，通量高，污染小等特點，形成了微技術領域的一種固有優勢。

Instrument：那么，作為一個完整的微流控芯片實驗室主要是由哪幾部分組成的呢？每一部分所起到的作用是什么？

林：按照目前的理解，一個完整的芯片實驗室大體包括三個部分：一是芯片；二是包括驅動源和信號檢測裝置在內的芯片工作站；三是包含有實現芯片功能化方法和材料的試劑盒。

芯片本身涉及到兩個方面：一是尺寸；二是材料。現有典型的芯片約為幾個平方厘米，一般的通道尺寸為10～100mm寬，5～30mm深，長度約為3～10cm。可用于芯片的材料最常見的為玻璃，石英和各種塑料。玻璃和石英有很好的電滲性質和優良的光學性質，可采用標準的刻蝕工藝加工，可用比較熟悉的化學方法進行表面改性，但加工成本較高，封接難度較大。常用的有機聚合物包括剛性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、彈性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）以及聚碳酯（PC）等，它們成本低，可用物理或化學方法進行表面改性，制作技術和玻璃芯片有較大的區別。

樣品和試劑的充分接觸、反應或分離必須有外力的作用，這種外力一般為電場力、正壓力、負壓力或微管虹吸原理產生的力。人們常采用由高壓電源產生的電場力或泵產生的正、負壓力作為驅動源。此外，芯片內產生的信號需要被檢測，目前最常用的檢測手段是激光誘導熒光，此外還有電化學、質譜、紫外、化學發光和傳感器等。激光誘導熒光檢測器的特點是檢測靈敏度高，但現階段其體積仍然偏大；電化學檢測由于其體積較小，與高壓電源一起可制成便攜式儀器，在尺寸上和芯片實驗室的概念匹配，加之有電化學響應的物質很多，所以在芯片中的應用研究較多。驅動源和檢測裝置是芯片實驗室儀器的主要組成部分，其體積的大小直接決定了微流控芯片儀的大小，因此人們正努力追求這兩部分體積的最小化。

有了芯片和檢測裝置是否就可以開始進行工作了呢？還不行。一般而言，還需要試劑盒。譬如，你要利用芯片實驗室進行某一生物樣品的反應或者是分離，那么你就需要有一定的方法，一定的介質，而這些都包含在我們所謂的試劑盒當中。也就是說，針對不同的應用對象，需要有不同的試劑盒。譬如，對于一個簡單的測試，所需要的試劑盒可能是一種緩沖液和一種標樣，也可能是一種手性拆分劑等等。試劑盒所包含的物質是在方法研究的過程中得出來的，如果說儀器和芯片是芯片實驗室硬件的話，那么對于不同的應用對象而言，則還需要有千變萬化的包含在試劑盒里的由方法和材料組成的“軟件”，三者構成了一個完整的微流控芯片實驗室。

Instrument：從應用角度來看的話，您認為微流控芯片實驗室主要將應用在什么領域，或者說將來還可能向哪些領域拓展？

林：就我個人看法，在未來一段時期內，微流控芯片將被用于疾病預防與診斷、藥物篩選、環境檢測、食品安全、司法鑒定、體育競技、反恐、航天等事關人類生存質量和安全的各個領域。而這其中將涉及到樣品的各種處理，PCR反應和酶反應等生物反應，各種化學反應，細胞分析、核酸分析、蛋白質分析和各種小分子分析，分子與分子間、細胞與分子間以及細胞與細胞間相互作用等單元操作。就拿2003年的SARS來說吧，當時我們實驗室采用自行設計的RT-PCR試劑盒，在自制的由聚合酶鏈反應（PCR）—毛細管電泳（CE）芯片和激光誘導熒光芯片分析儀組成的微流控芯片系統上，對SARS病毒和18例SARS患者咽拭子樣品進行了分析和檢測，實現了芯片上的聚合酶鏈反應和電泳檢測的微流控芯片分析。這一成果很有可能發展成為SARS早期檢測的一種新的手段。

Instrument：從世界范圍來看，目前，中國在微流控芯片實驗室的研究方面處于一個什么樣的水平，或者說是處在一個什么樣的位置？能否請您對此作一個評價。

林：芯片實驗室開始為科學家們所關注是上個世紀90年代初的事情，到了90年代中后期，在世界范圍內有一批科學家先后介入這一領域，其中包括中國科學院和國內一些大學的學者。我自己真正開始搞微流控芯片是從99年開始的。由于種種原因，中國科學家起步不是最早的，但我們正在以很快的速度追趕，國內有一些實驗室的工作已經取得了很好的結果。

以我們實驗室為例，經過五、六年的艱苦努力，已經建立起了一套完整的具有自主知識產權的微流控芯片平臺系統。包括：（1）自行設計研制了三類七臺不同功能的微流控芯片儀；（2）自行設計研制了五種不同材料，不同集成度和不同結構的微流控芯片；（3）在芯片上完成了各種單元操作（膜、電泳、整體柱色譜親和、PCR反應、酶反應、細胞培養、單細胞分析等）及其初步集成，例如在集電泳和凝集素親和整體柱于一體的系統中，成功地分離了三種糖蛋白中的不同糖型；（4）在上述儀器和芯片上進行核酸、蛋白質、小分子的反應、分離、分析、手性藥物的拆分和相互作用研究，實現了凋亡細胞活性氧類和谷胱甘肽的同時檢測，以及細胞樣品RNA的完整評價，并取得了單細胞裂解和內涵物測定的初步結果；（5）完成了SARS病毒基因后轉錄多重PCR檢測，癌癥病人P16基因甲基化DNA診斷和高血壓基因篩查等的研究和相應的一定規模（分別為18例、159例和226例）的實際樣品的測試，實現了微流控芯片系統的初級功能化。上述結果已申報40項發明專利，發表國外SCI學術論文34篇，其中近一兩年被Angew. Chem. Int. Ed., Anal. Chem., Lab on a Chip 和Electrophoresis等高影響因子學術刊物錄用的計16篇。

比較客觀地講，中國在微流控芯片方面的研究已經得到了國際同行學者的廣泛承認，中國相關實驗室的研究水平即使是在世界范圍內，也是處于一個比較靠前的位置。按照目前的趨勢，五年以后微流控芯片將會在國內業界得到非常廣泛的研究與應用。當然我希望這個時間能夠再縮短一些，我們的發展能更快一些。

Instrument：就微流控芯片這項技術而言，發展到目前為止，是否已經非常完美了？還是說這項技術還存在某些缺陷需要在進一步的研究過程中得到解決？

林：芯片實驗室的發展前景廣闊，但現有的芯片實驗室的研究水平和人們預期所要達到的水平相比還有一定差距。研究工作的難點有幾方面：一是微量樣品與檢測準確度的矛盾，芯片體積小，樣品用量少，運行速度快，這給檢測的準確度和精密度都帶來難度。這一問題的產生往往是由于初期對這種技術掌握不夠，或是在制造方面有某種缺陷造成的。隨著這項技術的逐漸普及，加工水平的逐步提高，這一問題是可以被克服的；二是芯片的小尺寸與檢測器等相對較大體積的“外部世界”之間的矛盾。這一問題應當也是發展過程中的問題，而不是技術的根本性缺陷。譬如：傳統的質譜儀一般都體積龐大，與芯片實驗室的發展不匹配。但近來質譜芯片的研制已有報道，這種質譜芯片將離子化腔、加速電極、漂移腔、檢測陣列等器件集成在只有幾枚硬幣大小的硅片上，檢測質量達10-12克。所以說隨著微納米技術的發展，檢測裝置小型化的問題是有可能得到解決的。

目前困擾科學家的一個問題是，微流控芯片系統至今為止還沒有拿出一個能夠讓大家為之一振的“有殺傷力”的，也就是說其他手段無法替代的應用成果，國外稱之為Killer Application。目前，全球許多實驗室，包括我們在內的，都在為此努力的工作。我相信，Killer Application遲早是會出現的。現在在某些領域，譬如細胞培養和分析方面，微流控芯片的獨到性已經有所反映。

但是，我們不能等到Killer Application出現以后再進入這一領域，一名優秀的科研工作者必須要盡可能多地參與一項研究的發展進程。如果中國科學家不能積極、主動地參與微流控芯片平臺的發展過程，那么若干年后，相當一批芯片儀器就不得不從國外進口，而我們所能做的只是用買來的國外商品儀器做一些零零星星的應用工作。中國在很多高端分析儀器上吃虧，就是因為這個問題，這不能不說是我們的一個悲哀。目前，在微納米技術領域，微流控芯片是我國和國外差距比較小的一個分支，如果能夠有更多的人參與進來，特別是如果能有相關企業投入到這一領域，最終將極大推動這一平臺研究的產業化進程。

Instrument：談到產業化問題，您認為微流控芯片技術的產業化前景如何？它的市場有多大？國外是否已有商品化產品出現？

林：我先回答你的后面一個問題。據我所知，加拿大和日本已有個別通用性實驗室用產品出現，但是價格普遍昂貴。像一塊簡單的玻璃芯片大概要200美金，一套帶UV檢測的工作站要賣3萬歐元左右。而且，日本的產品還不賣給中國人，只銷往歐美地區。此外，安捷倫公司2004年也首次拿出了芯片LC-MS的構思，雖然還不是很成熟，但從中我們可以看到微流控芯片已經進入到了實質性的商品開發階段。

就我們實驗室而言，目前我們開發的芯片和芯片工作站大體已到了準商品化階段，香港大學已經訂購了我們的一套系統。作為一家中科院的科研機構，搞產業化確實不是我們的長處，但我們也試圖在這方面進行一些探索，我們最終的目標是希望廣大的中國用戶都能夠用得起中國人自己的產品。如果說微流控芯片作為臨床診斷的一種工具，距離最終進入醫療機構可能還有一段路要走的話，但它作為一種通用性平臺被廣泛應用在大專院校和科研機構的生物實驗室也就是未來幾年的事情。微流控芯片最終的出口應當是在超市，一旦達到民用化程度，其市場潛力將是不可限量的。

我個人認為，微流控芯片實驗室已經到了產業化的前夕，我希望有遠見的企業家盡快介入到這一技術的發展過程中來，大家同舟共濟，一起滾打幾年，一起來改進技術，培育市場，共同發展。某種意義上說，這也是一種機會，等市場完全成熟了再介入進來可能就太晚了一些。

Instrument：有一個關于您個人的問題也是我非常感興趣的。您原來是搞毛細管電泳的，而且在毛細管電泳領域取得了非常突出的成就（編者注：林炳承教授目前是《Electrophoresis》雜志的副主編），在這種情況下，是什么原因使您甘冒一定的風險，轉到微流控芯片這個全新領域的呢？在進入到一個完全嶄新的領域后，您遇到的最大的困難是什么？

林：作為一名科學家，有幾種素質是很重要的，比如說洞察能力和把握能力，他應能看得遠一些，看到現時不為別人重視，卻又極具發展潛力的前瞻性、方向性的重大問題，作一個大一點的布局，并且能夠不失時機地緊緊抓住，使他所領導的課題組從事的研究工作符合幾年甚至十幾年后學科發展趨勢，并且盡可能地滿足社會民生的實際需求。

當然要做到這一點不那么容易，特別是當你已是一個資深科學家的時候，在原來的那個領域你可能已經很有地位，也可能已得到國內外同行的公認，但是到一個新的領域，昔日的光環不復存在。這需要判斷，需要勇氣，需要重新學習，有時甚至需要從零開始。這樣的做法，對自己會很累，弄不好還可能很狼狽。但客觀上卻又往往很重要，因為你所孜孜以求的可能關系到未來一段時期國家在世界上的核心競爭力，你還可能為國家培養出一大批急需的這一領域的高層次人才。

坦率地講，我們一開始確實非常不容易，全世界大多數實驗室的起步時間非常接近，沒有任何現成的東西可以借鑒。曾經有兩年的時間，工作進展遲緩，一個又一個的障礙壓得人透不過氣來。我曾反復地問自己，“有沒有看錯”？就這樣反復思考，反復實踐，終于沒有動搖。

結果證明我們當時的決定是正確的，經過課題組同事和學生的不懈努力，我們終于建成了有自主知識產權的微流控芯片平臺及其應用系統，取得了重要的階段性成果。

Instrument：那么，您認為微流控芯片未來的發展趨勢是什么？您下一步的工作將主要集中在哪些方面？

林：我想微流控芯片下一階段的發展趨勢應當是集成化和功能化。我們已反復強調多種單元技術在微小空間上的靈活組合和規模集成是微流控芯片的基本特點。集成化是大勢所趨，集成化的目的是實現某種功能，滿足社會的某種需求。總體而言，我們將依照上述我們對微流控芯片發展趨勢的判斷強化我們的工作。一方面我們將會推進芯片設計及操作單元集成化方面的研究。現在我們已經可以完成兩個或三個操作單元的集成，譬如分析一個樣品需要三個工序，樣品處理——反應——色譜分析，這樣三個過程現在已經可以放在一塊芯片上完成。小集成已經做到了，規模化的集成將會繼續研究下去，當然同時還要考慮芯片設計的優化；另一方面，我們將拓展微流控芯片的應用領域，在這方面，我們實驗室已經做了大量的工作，應該說是非常有特色的，我們會繼續保持這一優勢，努力實現更多的功能化。比如我們要把血樣固相萃取、膜分離、核酸提取、核酸PCR反應、擴增產物分離、檢測等功能集成在一塊芯片，用泵和閥控制整個流路，只要采一滴血輸入，樣品自動運行后即能得到最終體內某種DNA的分布結果。又比如，我們把細胞培養、分選、裂解、內涵物檢測等單元操作集成到一塊芯片上，觀察不同細胞在相同藥物作用下的不同反應，測定其某種成分在不同作用下的不同變化等等。這樣一些具有DNA測定或細胞分析功能的微流控集成芯片就有可能因為樣品量小、成本低廉、控制簡單、省時省力而具有廣闊的社會需求。

在開展自身研究的同時，我們還將努力促進這一新興領域的普及工作。在這一點上，我們希望能夠和儀器信息網緊密合作。“沒有普及就沒有提高”，我們真誠地歡迎國內的有識之士和我們一道，將中國微流控芯片實驗室的研究工作推向一個新的高度。

后記：2004年9月的美國 Business 2.0 雜志封面文章將微流控芯片實驗室稱之為“改變人類未來的七種技術”之一。據不完全統計，目前全世界已至少有30多個重要的實驗室（包括MIT，Stanford大學、加州大學柏史萊分校、美國橡樹嶺國家實驗室等）和一批大公司在從事這一領域的研究和開發。作為中國優秀科學家的代表，林炳承教授在毛細管電泳研究達到頂峰時，憑借其敏銳的科學直覺，適時地把研究重點轉到以醫學診斷和藥物篩選為目的的微流控芯片技術上，同時在這個過程中，林炳承教授領導的實驗室形成了自己極具特色和核心競爭力的積累。在與林教授的交談過程中，筆者深刻感到，林教授在他長期的科學實踐當中，始終貫穿著“把握方向、長期堅持、強化積累、推動發展”這樣一種堅定信念。

聯系電話：0411-84379065

電子郵箱：bclin@dicp.ac.cn

單位地址：大連市中山路457號

林炳承教授簡歷：

從事分離分析方面的研究，并以生物醫學和藥學為研究和應用的主要背景，80年代以色譜為主，90年代為毛細管電泳，2000年起致力于微流控芯片實驗室研究。

林炳承教授課題組圍繞系統生物學研究需要，以微流控芯片為主要平臺，力圖在細胞和分子層面，甚至是單細胞、單分子水平上，實現以不同單元技術靈活組合、大規模集成成為特征的疾病診斷和藥物篩選。

已發表論文約200篇，出版《毛細管電泳導論》（科學出版社）等著作5部，申請專利67項（發明44項），已授權22項（發明5項）。獲遼寧省自然科學獎一等獎，中國科學院自然科學三等獎各一次。已培養研究生20余名，其中一名獲全國百篇優秀博士論文獎。2001年全國優秀博士學位論文指導教師，2002年中國科學院優秀博士生導師。德國 Tübingen大學、美國Truman 州立大學、香港大學、意大利科學院客座教授，德國洪堡基金(AvH)、日本學術振興會(JSPS) 研究員。任第一至六屆全國毛細管電泳會主席或主席之一，第一至五屆亞太國際微分離分析會主席或主席之一，JBBM 雜志編委，Electrophoresis 雜志編委，客座主持該刊兩期編輯工作，2005年起出任Electrophoresis雜志副主編。

來源：《儀器信息網》2006年

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