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父亲与微流控

发布时间:2015-03-27 09:58:50访问次数:965

人物名片:

  方肇伦院士(1934.8.16-2007.11.121934816日出生于天津市,籍贯浙江定海。195710月毕业于北京大学化学系,是国内外知名的分析化学家和微流控芯片研究专家,浙江大学微分析系统研究所的创办人。

  自1977年以来,方肇伦先生为流动注射分析技术在我国的发展进行了大量的开拓性工作,在理论和实验技术上取得多项重要成就。他的研究领域包括流动分析,原子光谱分析,微分析系统及其联用技术。

    今年是我父亲方肇伦院士诞辰80周年,转眼父亲离开我们已有7年了。

  小时候看过一个老电影《第八个是铜像》,印象很深。电影讲的是一个阿尔巴尼亚反法西斯英雄的故事,七位战友在护送英雄的铜像返回故乡途中,回忆了他们曾经一起相处、战斗的往事。

  如今我也从事微流控芯片的研究工作,在工作之中,经常会想起父亲在从事微流控芯片研究中的一些重要片段。

 

    我的父亲很早就开始关注和追踪微流控芯片的研究了。

  国际上最早的有关微流控芯片的研究论文是由Ciba-Gaigy公司的Manz博士等发表于1990年。后续发表的论文中有一部分内容是有关流动注射分析系统的微型化,而我的父亲当时已是国内外著名的流动注射分析专家,他很早就开始关注和追踪这方面的文献了。

  当时,Manz博士所发表论文的期刊在中国大陆很难查到,父亲就经常直接写信给Manz博士请他把论文的复印件寄来。

  19938月,父亲经历了一场大病。在长春参加学术会议时,他突发严重的心肌梗塞,心脏停跳数分钟,后经多方全力抢救,得以基本康复。19956月,他大病初愈之后首次出国,到德国Perkin-Elmer公司的研究所进行了为期3个月的交流访问。为安全起见,那次我也陪同前往。

  在德国期间,他被邀请参加在英国赫尔大学召开的国际分析化学会议(InternationalSymposiumonAnalyticalChemistry,SAC95),做大会报告。在这次会议上,他遇到了Wid-mer教授。当时Widmer教授是Ciba-Gaigy公司研究所的主任,与Manz博士一起从事微流控芯片的研究。见到Widmer教授后,父亲表达了欲访问其研究所的愿望,Widmer教授欣然同意,并表示回去后即可发出邀请信。但此后不久,Widmer教授因病去世,这次访问未能成行。

  但是,父亲对微流控芯片的兴趣和重视并未减退,相反,他愈来愈认为微流控芯片的发展有可能形成一个全新的分析化学领域,甚至是一个新的学科。他开始在中科院沈阳应用生态研究所的实验室尝试进行微流控芯片的加工技术研究。

  有一次,在他的实验室里,我看到他的博士生两手端着盛满了变形的碎玻璃片的托盘,带着无奈的表情说:“又没成功!”。当时他们正在用载玻片进行玻璃芯片高温封接条件的筛选实验,由于当时的加热条件没有得到很好的控制,通常得到的是一些已经被加热得变了形的玻璃片。每当此时,父亲总是微笑着鼓励学生:“没关系,摸索条件,继续尝试”。

  父亲在19965月调入东北大学化学系工作后,开始正式组建从事微流控芯片分析的研究组,这是国内最早从事微流控芯片研究的研究组之一。研究组有两名教授、两名讲师、一位技术员和三位研究生,此外还专门引进了一位从事芯片加工和光学检测系统搭建的工程师。在微流控芯片研究上,研究组白手起家,从无到有,在1998年加工出了PDMS芯片和共焦型激光诱导荧光检测器,建立了毛细管与芯片结合的复合电泳芯片系统,并成功用于氨基酸的快速分离。

 

    父亲郑重地说:“今天,我们要给microfluidic chip起个中国名字”

  记得是在1997年秋天的一个下午,在东北大学化学楼一楼那个由走廊改建的分析科学研究中心小会议室里,父亲把实验室的全体老师和研究生召集起来,举办了一个十几人参加的小型讨论会。会议一开始,父亲就郑重地说:“今天,我们要给microfluidicchip起个中国名字”。

  当时,这个领域的叫法比较多,英文名主要有三个,“MiniaturizedTotalAnalysisSys-temsMicroTAS)”、“LabonaChip”和“Mi-crofluidicchip”。前两个比较好翻译,已经有比较成熟的中文译法,分别叫做“微全分析系统”和“芯片实验室”。

  但父亲认为“微全分析系统”的说法,比较适合描述具体的系统,而不太适合作为一个新学科的名称。他一直有种感觉,这个领域将来很有可能会发展成为一个新的学科,因而应找一个学科(学术)味道更浓的名字。

  父亲觉得“LabonaChip”(“芯片实验室”)虽然比较形象化,容易理解,但太过通俗,不太适合作为一个学科的称谓,他更看好“Microfluidicchip”和“Microfluidics”,认为更能体现学科的特点,而且反映研究工作的本质,因而需要给它们起个中文名字。

  会上,大家很踊跃地提出了“Microfluidicchip”的多种译法,有:微流体芯片、微流动芯片、微流芯片等,父亲一一把它们写在会议室的白板上。最后,父亲提出了“微流控芯片”和“微流控学”的译法。理由有两个,一是综合当时文献报道的各种微流控芯片系统,以及他多年从事流动分析研究的经验和体会,认为微流控芯片的各种操作的共同核心是对流体的操纵和控制,因而应在“微流”后面加“控”字,以体现这些系统的共性和核心实质;二是他在化学化工词典上查到“Fluidics”的一种译法是“流控学”,偱此方法,“Microfluidics”则可译为“微流控学”。

  当时我们展开了热烈的讨论,多数人虽然觉得父亲说得很有道理,但总是觉得多了一个“控”字,还不太习惯,觉得“微流控”这个叫法有些怪,不太容易被他人所接受。但是,随着从事微流控芯片研究经历的增加以及研究的深入,我们越来越觉得这个“控”字用得好!点出了微流控芯片研究的核心和精髓———就是对微流体的操纵和控制。

  随着微流控芯片研究的不断发展,其研究领域已不仅仅局限在分析化学,甚至不局限在化学领域,而是拓展到生物、医学、药学、材料学、物理学、计算机学等学科领域,微流控学也已成为一门新兴的前沿学科。“微流控”这种译法已经被国内学者广泛接受。现在回过头来再看他当初起的名字,确实觉得非常的贴切,很适合作为一个学科的名字。

 

    父亲说,要走出一条有中国特色的发展微流控芯片之路。

  微流控芯片的研究需要多个交叉学科的参与,包括分析化学、微机电工程、材料化学、微光学、微电子学、生物医学、计算机控制等学科专业。

  1999年底,为了更迅速、更集中地开展微流控芯片的研究工作,同时充分利用多学科的交叉优势,父亲决定到浙江大学兼职工作,组建浙江大学微分析系统研究所。研究所的总体目标是研制成功从采样、试样处理到检测的具备全分析功能的便携式微型化学分析系统。

  这是国内成立的第一个以集中发展微流控芯片分析系统为目标的专门化研究所。研究所成立之初,研究经费有限,仪器设备缺乏,加工和实验条件简陋,父亲鼓励研究所老师和同学要发扬“小米加步枪”和团结奋斗的精神,走出一条有中国特色的发展微流控芯片之路。

  在全体老师和同学的齐心努力和团结协作下,研究所成立仅一年,即在玻璃微流控芯片的加工、激光诱导荧光检测系统和芯片毛细管电泳系统的搭建等平台技术研究上取得突破,完成了平台建设。

  当时研究所没有超净工作间,就发展了在连续水流的局部超净环境下实现玻璃芯片贴合的“土”方法,有效地解决了芯片的高效封接问题;在搭建研究所第一台激光诱导荧光检测系统时,包括基座、聚焦透镜、照明灯等很多部件都是拆自废旧仪器设备;芯片毛细管电泳中使用的多触点高压电源也是研究所自行研制的。

  在此基础上,研究所全面开展了微流控芯片加工、试样引入、前处理、反应、分离和检测技术的研究,并在氨基酸电泳分离芯片和单细胞分析芯片等方面的研究上取得突破,论文分别于2002年和2004年发表于AnalyticalChemistryLabonaChip。其中前者是中国学者在该期刊发表的第一篇有关微流控芯片的论文,后者在2012年的统计中,成为该期刊中国学者发表论文被引用次数最多的论文。

  2003年,由父亲主编,由浙江大学微分析系统研究所全体老师参加编写的专著“微流控分析芯片”出版。这是我国首部全面介绍微流控芯片研究的专著。2005年,他又组织东北大学课题组人员出版了另一部学术著作“微流控分析芯片的制作及应用”。这两部专著对在国内推广微流控芯片研究,起到了及时的、积极的推动作用。

  在中国微流控芯片研究的初期,国内对这一新兴领域还没有广泛的认识,父亲在多种场合,利用多种途径宣传微流控芯片,解释其与当时已在国内蓬勃发展的生物芯片的区别,极力建议国家有关部门加大对微流控芯片基础研究的投入,抓住这难得的历史机遇,在一个新学科初起的时候,及时介入,实现我国在这一学科的跨越式发展。

  2001年,为了促进微流控芯片在我国的发展,父亲做为会议的建议人和主持人之一,组织了第165次香山科学会议。会议集中讨论了我国微流控芯片的发展战略问题。

  此次会议之后,国家自然科学基金委启动了十五重大项目“微流控生化分析系统的基础研究”。父亲做为项目主持人,浙江大学做为主持单位,与来自国内九所大学和研究所的课题组一起,共同开展微流控芯片的研究工作。这也是浙江大学历史上所主持的第二个国家基金委重大项目。

  20063月,在项目验收时,为保证结题报告的系统性和完整性,父亲花了一个多月的时间,根据各课题组上报的资料,自己亲自进行归纳整理,吃透每一个工作的特点和亮点,做成长达120页的ppt报告文件。在结题验收答辩会上,父亲连续做了近3小时的结题报告,取得了很好的效果。

  最后,该重大项目顺利通过验收,获得验收专家组的高度评价,专家组认为该项目彻底改变了我国在微流控分析领域的落后面貌,总体上已达到国际先进水平,其中部分成果在微流控系统中的应用等在国际相关学术领域已具备一定领先优势。

  重大项目的实施,大大促进了微流控芯片研究在我国的普及和深化。我国大陆的SCI收录微流控论文数由2001年的仅2篇猛增到2005年底的190篇,且2005年当年被收录的论文数超过了微流控芯片研究领域强国———日本,仅次于美国,位居世界第二,标志着我国在国际微流控领域的研究进入世界先进行列。为此,项目研究成果由国家自然科学基金委专门写成内参上报国家有关部门。

  实际上,根据后来的医学检查结果推测,在2006年初,癌细胞已经开始侵蚀他的身体。

 

    父亲非常重视将中国的研究成果,充分介绍给国际同行。

  父亲很重视微流控芯片研究的交流和推广工作。在他的倡导下,2002年我中国举办首届全国微全分析系统学术讨论会。2004年,第二届全国微全分析系统学术会议在杭州浙江大学举行。此后,该会议成为国内规模最大的微流控芯片研究学术论坛,定期举行,一直延续下来。

  父亲非常注重提升中国在相关研究领域的国际地位,将中国的研究成果,充分介绍给国际同行。英国皇家化学会在2001年创办了国际上第一个微流控分析领域的学术期刊:LabonaChip2005年该期刊邀请父亲担任该期刊首个来自中国的编委。国际上规模最大的微流控芯片研究论坛———国际微全分析系统会议也邀请父亲担任会议的组织委员会委员和学术委员会委员。

  父亲是一个举轻若重的人,做事非常认真,注重细节,追求完美。每次在举办学术会议时,他事必躬亲,想得很多、很细,事无巨细都要达到高标准。他一直认为办会是件很累的事情,而举办国际会议,工作量会大大超过国内会议。他的老朋友日本的石桥信彦教授在组织一次国际会议时,因操劳过度,导致糖尿病恶化而去世一事,曾对他产生了特别大的震动。因此,在我的印象里,他一直对举办国际会议持非常慎重的态度。

  2006年,父亲去日本东京参加国际微全分析系统会议(MicroTAS2006)。会议期间,日本的Baba教授在与父亲交谈时,告诉他一个新情况,会议的组委会决定2009年的国际微全分析系统会议在亚洲举办。如果中国想申办的话,还有机会,但是要快,因为在第二天的组委会会议上就将决定2009年会议的举办地。

  当时,参加这次会议的只有5位来自中国大陆的科学家,父亲是其中唯一的一名组委会成员。那天晚饭后,父亲回到旅馆,和我提到了这件事,但还没有下决心。第二天早起的时候他告诉我,他决定代表中国申办这次会议。我想只有我知道他是下了多大的决心、做了怎样的心理准备才做出了这个决定。

  当时因为身体原因,父亲已经开始减少工作量。这是一个大型国际会议,参会者近千人,会务会非常繁重。但如果申办成功,对中国的微流控研究事业则会起到非常大的促进作用。后来因种种原因,这次申办没有成功。

  2007年,父亲在国际微全分析系统会议申办未成的情况下,发起举办沈阳国际微流控学论坛(ShenyangInternationalColloquiumonMicrofluidics,SICOM),举办了由中国学者自己组织的微流控学国际会议。会议采取高层论坛的方式,邀请国内外科学家参加会议,做学术报告,为中国与世界同行的交流提供学术了平台。

  200710月,当会议举办时,父亲已病重住院,但他还十分关心会议的筹办和组织情况。在国内外专家学者的支持下,在东北大学分析研究中心各位老师和同学的精心组织下,会议取得了极大的成功,被微流控技术的创始人Manz教授誉为最成功的微流控芯片国际学术会议之一。

  现在,微流控芯片的研究已在国内蓬勃开展,呈现快速发展的势头,不断取得具有国际先进水平的成果,中国学者在该领域发表的论文数继续保持世界第二的位置,并不断缩小着与第一名———美国的差距。

  今年刚在武汉召开了第九届全国微全分析系统和第四届国际微流控芯片论坛,参会人数已由第一届的100余人增加至超过500人。在会上,中国学者在微-纳流控芯片、多相微流控芯片、细胞和仿生微流控芯片,以及微流控芯片的生物医学应用等领域,报告了多项具有国际先进水平的研究成果,获得了与会国外同行专家的高度评价。

曾担任国际MicroTAS会议的主席的韩国教授KimTaeSong,第一次来中国参加学术会议,他听了报告以后惊叹,没想到中国学者做了这么多出色的工作。我想如果父亲能够知道这些,一定会感到很欣慰的。

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