「清華大學博士生短期出國訪學基金」自2010年起設立，受到「985」基金和校基金會的共同支持，為博士生赴國外一流大學和專業、師從一流導師開展研究工作提供3-6個月的生活費資助。至今已有超過500名博士生獲得基金支持。該基金受到師生歡迎，博士生普遍反映受益匪淺。
每個參加短期訪學的博士生們都有一段不可複製的、特別的經歷和故事，我們將不定期與大家分享他們精彩的訪學故事。
親，哪天能夠看到你的故事呢？
自2016年1月至2016年8月，在清華大學博士生短期出國訪學基金的支持下，我在美國哈佛大學作為訪問學者進行了為期半年的科學研究工作。雖然這不是我第一次在美國進行科學研究，但是通過在哈佛這半年的學習和工作，我在學習、科研、工作和生活方面都有非常大的提高和進步，我學會了獨自探索新的研究方向，培養了堅持跑步鍛鍊的習慣，還練就了一手好廚藝。
我在訪學期間的成果如下：
一、發表論文：
1. Cheng Y, WangY, Ma Z, et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separationplatform with multi-filtration. [J]. Lab on A Chip, 2016, 16(23).
（檢索類型：發表，影響因子：6.115）
2. Cheng Y, Ye X,Ma Z, et al. High-throughput and clogging-free microfluidic filtration platformfor on-chip cell separation from undiluted whole blood.[J]. Biomicrofluidics,2016, 10(1):77.
（檢索類型：發表，影響因子：3.357）
3. Ma Z, Zhang P,Cheng Y, et al. Homogeneous agglutination assay based on micro-chip sheathlessflow cytometry.[J]. Biomicrofluidics, 2015, 9(6):4711.
（檢索類型：發表，影響因子：3.357）
4. Ma Z, Zheng Y,Cheng Y, et al. Development of an integrated microfluidic electrostatic samplerfor bioaerosol[J]. Journal of Aerosol Science, 2016, 95:84-94.
（檢索類型：發表，影響因子：2.236）
二、獲獎：
1. Yinuo Cheng, Visiting Scholar Scholarship, Experimental Soft Condensed Matter Group, 2016.7
2. Yinuo Cheng, Best delegation, Harvard Model United Nations China, 2016.3
科研基本情況介紹
我在哈佛大學的導師是哈佛大學工程與應用科學學院的著名教授，是美國科學院院士、美國藝術與科學學院院士，學術成就斐然。他1999年至今在美國哈佛大學工程與應用科學學院任教授，2001年至今兼任美國哈佛材料研究科學與工程中心主任，2006年至今兼任美國哈佛大學系統生物學系教授。Weitz教授是國際上軟溼功能材料、膠體微粒系統、生物物理與生物材料、微流控等研究領域的知名專家，學術造詣頗深，具有很高的學術地位和非常大的國際學術影響力。迄今，Weitz教授已發表高水平學術期刊論文400多篇，其中在Science, Nature, NatureMaterials等國際頂級刊物上發表近30篇，申請發明專利56項，應邀在世界各地做過500多次學術報告。
我在哈佛大學Weitz Group從事了兩個課題的研究，第一個是繼續我在清華大學的研究工作，完成中國科技部設立的國家重大科學儀器專項子課題——樣本預處理系統整機及晶片研發，需要研發樣本預處理模塊儀器主機及相應的預處理晶片，設計儀器結構，設計電路並調試（STM32），編寫嵌入式程序，研發兩代原理樣機及工程樣機，進行超重、失重、浪湧測試，不斷優化結構、性能及穩定性。第二個課題為研發麵向空間站應用的全血血細胞分離系統，我作為該項目的負責人，主要負責研發具有防堵塞、排氣、多次過濾等功能，同時具備高產量及高純度的全血血細胞分離晶片，將雙向微泵集成於晶片內，搭建小型化、輕量化並適宜空間站使用的微流控晶片驅動控制系統，實現快速、高通量的血細胞分離。
我在研發的過程中也遇到了一些困難，由於體液樣本預處理儀器需要在空間站中應用，需要對該儀器進行小型、輕量、低功耗化的設計，並滿足微重力下的使用需求。針對這些問題，我與我的導師葉雄英教授、精儀系的王文會老師還有David A. Weitz教授進行了多次非常深入的溝通，在美國期間也與清華的老師寫郵件、打電話溝通研究方案、下一步實驗規劃並修改文章。在各位老師的幫助下，我們共同解決了上述難題，達成了這樣幾個創新點：（1）集成於晶片的環形雙向微泵，利用微小電機帶動鋼珠旋轉擠壓環形溝道上的PDMS薄膜，通過電機的正反轉，實現微泵的雙向驅動。該微泵驅動機構在主機上，晶片只需管道層和PDMS，且主機與晶片無需任何管路及電連接，方便晶片更換，且成本低；（2）微流控晶片排氣模塊，利用集成於晶片的微泵驅動液體流經有擾動微凸臺及排氣疏水多孔膜的排氣管道，微凸臺擾動液體流向疏水膜排氣膜，通過疏水多孔膜把液體中的氣泡排出，該排氣方法依靠微泵推動、微凸臺擾動使帶氣泡的液體流向排氣膜，不依賴重力，適用於太空微重力環境；（3）基於微流控晶片的白細胞分離模塊，利用集成於晶片的微泵驅動液體流經多孔過濾膜，使小於微孔的紅細胞、血漿等被過濾掉，該微泵可以雙嚮往返驅動，使液體往返流動，排除細胞堵塞過濾孔，此外，該方法還可以利用微泵方便地泵入緩衝液反覆清洗過濾留下的白細胞，使過濾更徹底；（4）基於微流控晶片的混合模塊，驅動被混合的兩種液體在循環溝道中反覆流動，使樣品充分混合，該方法利用與進樣同一微泵實現混合，無需額外增加複雜機構；（5）全自動化的微流控預處理晶片，基於集成於晶片的微泵微閥，從進樣、不同功能的預處理、到輸出樣品的整個過程，無需連接外部管路驅動源，全部在一個晶片中完成，而且，在常規樣品預處理功能的基礎上，集成了排氣泡功能，使預處理晶片能夠適應有氣泡的體液及太空微重力環境下的體液預處理。
我在哈佛的科研環境
經過長達一個月的調研以及多次與各位老師協商、交流，我最終找到了一個最佳方案。針對蛋白與半抗原檢測模塊、核酸檢測模塊、血細胞表徵分析模塊的需要，進行體液樣品的排氣、體液與試劑的定量混合、血細胞分離、待測蛋白的富集濃縮等處理，研製出體液樣本預處理晶片和模塊，達到後續檢測的指標要求，並實現預處理的自動化及與後續檢測模塊連接的便捷可靠。此外，我設計並製造的微流控預處理晶片，基於集成於晶片的微泵微閥，從進樣、不同功能的預處理、到輸出樣品的整個過程，無需連接外部管路驅動源，全部在一個晶片中完成。所研製的微泵能夠雙向驅動和循環驅動，使混合、分離、富集等預處理可高效地完成。該微流控預處理晶片在常規樣品預處理功能的基礎上，集成了排氣功能，使預處理晶片能夠適應有氣泡的體液及太空微重力環境下的體液預處理。該工作突破了與晶片集成的微泵微閥、基於微流控晶片的排氣、基於微流控晶片的混合、基於微流控晶片的白細胞分離、基於微流控晶片的富集、基於微流控晶片的細胞裂解等6項關鍵技術。而我們通過研發體液樣本預處理模塊，提供了一種把從微流體的驅動控制到不同的樣品預處理集成於一體的創新方法和手段，將使微流控技術在實際應用中，免去晶片外的樣品預處理過程，將促進微流控技術得到更廣泛的應用。
對美國科研氛圍的感受與切身體會
雖然這不是我第一次在美國進行科學研究工作，不過這半年的經歷還是讓我學習到很多，感觸到很多。
我們實驗室位於哈佛大學Gordon McKay Laboratory的五樓，步行至Harvard Square只要五分鐘，Weitz Group中大部分學生都很努力地做科研，他們對待科研的態度十分認真，確確實實把科研當作自己的事情來完成，每天考慮實驗，思考如何將科研深入。每一位Weitz Group中的學生都有著執著的學術追求，課題組裡面不少的博士生、博士後都在Nature、Science、Cell等頂級期刊上面發表過文章。他們對待科研與學術的熱情，非常值得我們學習。每個教授對於自己的學生都有不同的培養方式。有的教授會帶著學生一起進行科研，針對科研上的問題和學生進行一對一的討論，進行針對性的指導並提出具體的解決方案，學生則需要思考並設計相關實驗，通過實驗驗證討論時教授提出的假設。有的教授對學生實行十分寬鬆的管理政策，類似於「放養」政策，學生在教授給定科研方向和題目之後，就開始自己獨自探索，在此期間，教授會對學生做一些指導，但並不限制和影響學生的科研。但無論如何，Weitz Group中的學生都對自己有著非常嚴格的自我要求，很多學生都會工作到晚上三四點鐘才回家，由於實驗室的個別設備使用頻次較高，部分學生甚至會選擇在晚上通宵做實驗。另外由於很多實驗會涉及細胞，他們在整個實驗過程中會嚴格把控可能會影響實驗結果的每個細節，比如佩戴手套的雙手在進入潔淨腔前一定會用酒精消毒。
哈佛大學Harvard John A. PaulsonSchool of Engineering and Applied Science對於設備的培訓和管理都非常嚴格，我覺得這一點非常值得我們學習和借鑑。實驗室會安排每位研究生負責不同的培訓項目，如：safety trainging、Rheo training、Optics training、Confocal training、Cell Culture Room training、Bacteria Room training、Chem training、Microfluidics training、Soft Materials training等等，而且整個培訓過程非常嚴格，培訓後要經過設備負責人的考查才有權限使用該設備，每周設備的管理員都會通過郵件通知本周的培訓安排。此外每次使用設備都需要在Google Calendar上進行預約，這樣方便每位學生安排時間進行試驗，同時也方便管理員進行管理，倘若設備出現了問題，可以很方便檢查出是誰操作不當造成的。
哈佛的學術報告和交流會多的讓人應接不暇。在這裡，可以聽到來自全世界的頂尖專家和學者們的報告，可以跟他們面對面交流，我想這也是哈佛之所以成為世界名校的原因之一。這裡的學術氛圍讓每一個身在其中的人不可能不去思考和前進。最先進、最前沿的研究、方法和成果都可以在這裡的報告會和學術會上接觸到，來自Yale、MIT、Stanford等頂尖高校的著名學者絡繹不絕，而這些最新的研究成果和不同的研究思路和方法，給所有參與人員更多的學習和思考機會，不僅促進了交流，同時也提供了很多合作的機會。此外，哈佛電子圖書和文獻的資料非常齊全和強大，所有領域的期刊和圖書，從19世紀到最新的科學成果，都可以在哈佛的電子圖書館查閱到。我們工程與應用科學系在每周五的中午都會邀請一些學術大師為我們帶來專題講座，講座結束後學校還會為大家預定披薩。這些學術大師會坐在我們中間，一邊吃東西一邊和我們交流學術心得，我也得以領略了很多學術大師的風採。
David A. Weitz 教授和我們重點交流了微流體技術在醫學研究中的應用，主要體現了微流體學在單分子，單病毒和單細胞水平上的分析能力。利用微流體技術能夠便捷的製備數以百萬、體積均一的微液滴。每一個微液滴（最小僅幾個皮升Picoliter）都可以成為獨立的生化反應器，能夠直接在微液滴中進行生化反應（如dPCR）。當被測樣品被充分稀釋的情況下，即被測量目標數量遠小於微小液滴數量時，微流體技術能夠確保每一個微液滴最多包裝一個被測目標。接下來，這些微液滴被轉入試管進行生化反應，反應產物所攜帶的信號（如螢光等）可用於微液滴的分選、分離和富集，然後進行下一步分析和鑑定（如深度測序等）。由於微流體技術實現了微小空間內的化學反應，因此該技術體系較傳統實驗體系具有兩個明顯優勢：（1）在樣品量極低的情況下能夠保持底物高濃度，從而提高檢測靈敏度；（2）能實現單個分子、單個病毒或細胞的檢測，從而獲得被測目標個體的信息，可探索個體之間差異。一個經典案例就是，CTCs（Circulating Tumor Cells）的檢測是腫瘤診斷的關鍵。少數腫瘤細胞能夠由癌組織滲透到血液中形成CTC，隨後通過循環系統擴散，引起腫瘤的擴散和復發。CTCs檢測技術難點在於CTC在血液中存在量極低。例如，腫瘤患者每毫升血液有數以億計的細胞，其中可能僅存在1個CTC。通過去除血液中普通血細胞之後仍然剩下約一百萬個細胞。利用微流體技術將這些細胞分別包裝到不同的微液滴中，然後進行原位裂解和dPCR反應即可成功的檢出CTC標識基因。這一案例顯示了基於微流體技術高靈敏度檢測能力。
除了每周五中午與學術大師的交流，Harvard John A.Paulson School of Engineering and Applied Science每周五晚上還有Happy Hour，在這裡我們可以邀請別的院系的朋友一起參加，喝喝啤酒，談談一周的科研進展，也為緊張工作了一周的同學們減減壓。其實這和咱們清華大學研究生會組織的「咖啡廳學術沙龍」活動非常像，具有很好的效果。學術沙龍是研究生交流思想的陣地，是啟迪學術智慧的舞臺，作為一種教學形式，在大學歷史發展中起了重大作用。大家在一起可以一同探討學術前期，結實不同院系的朋友，對每位學生接下來的科研、工作都非常有幫助。
美國的生活體會與感悟
美國的生活相對於國內來說比較簡單，不過還是有不少課外活動的機會。我的朋友有的每星期要去gym遊泳、也有參加各種社團的。我住在哈佛大學的宿舍Peabody Terrace就在美麗的查爾斯湖旁邊，那裡還經常有movie night,international food exchange，還有各種節日趴體或者小趴體。
每天早晨我都會沿著查爾斯河晨跑，波士頓的運動氛圍非常棒，尤其是跑步氛圍。無論是清晨四五點，還是晚上九十點，都會有大量跑步愛好者沿著查爾斯河跑步。波士頓馬拉松是該市最著名的體育賽事之一，創辦於1897年，是世界上最古老的現代馬拉松比賽，在每年4月16日的愛國者日舉行。2013年的那場爆炸案讓200多人傷亡，但依然無法阻擋近3.7萬名馬拉松愛好者參加2014年的比賽，這就是波士頓馬拉松的魅力。一項賽事的魅力與所在城市是密不可分的。這座有近400年歷史的城市，是美國最古老、最有文化價值的城市之一，科研、金融與技術讓她成為了一個世界性的城市。但她的都市風光也保留了美國歷史中最純粹的那一部分。邦克山、老北教堂、法尼爾廳、波士頓圖書館等，經過歷史的沉澱，已成為這座城市的標誌。跑在波士頓的大街上，無論是白天還是晚上，你都能感受到這座城市的熱鬧與繁華，音樂節或者表演活動隨處都是。
美國日常的飲食基本上跳不出麵食，芝士，肉，番茄醬，生菜。他們的漢堡是麵包加芝士加肉加生菜，他們的披薩是面做的底加芝士加肉，他們的三明治是麵包加芝士加肉加生菜，好一點的也就是牛排和三文魚了。我平時的科研比較緊張，不會自己做飯吃，大多數情況下會選擇在快餐車買點兒沙拉或中式快餐。不過在美國生活一定要學會自己做飯，很多朋友對美式食物並不習慣，所以對每個留學生來說學會自己烹飪出美味可口的飯菜非常重要。周末的時候，我很樂意邀請朋友來家裡做客，我們會一起切磋廚藝，增進友誼。我的拿手菜就是煎牛排，哈佛大學、麻省理工學院的很多朋友都品嘗過我煎的牛排，大家誇獎我做的牛排並不比米其林餐廳的差。我開玩笑回覆說，可能是因為做實驗做多了，手藝好了，其實做飯和做Device是一樣的。
在科研之餘，我還協助組織了哈佛大學模擬聯合國大會（Harvard ModelUntil Nations），它是美國最早開展的模聯會議，在國內外享有著最高學術水平的美譽。我在會議組織、嘉賓邀請、立場文件寫作等方面都做了很多工作，我們還給哈佛大學校友、Facebook的創始人兼執行長馬克·扎克伯格先生寫郵件邀請他作為Harvard Model Until Nations閉幕式的演講嘉賓致辭。小扎在郵件裡表示非常樂意參加這項活動，不過最後因為臨時有事遺憾未能參加。
我榮幸地入選了哈佛-麻省理工機器人足球隊(RFC Cambridge，RFC Cambridge Harvard & MIT's Robot Soccer Team)，作為RFC Cambridge的一員，我主要負責電路和結構設計的工作，每周我們都會聚在一起設計機械結構並組裝、優化控制程序。
在哈佛的生活
在哈佛這半年的經歷不僅使我見識了不同的科研環境，不同的文化氛圍，不同的生活方式，同時也結識了很多領域內的專家學者和志同道合的朋友，對我今後的學習、工作和生活都會有非常大的幫助。非常感謝David A. Weitz教授對我的指導和幫助，感謝清華大學博士生短期訪學基金的資助。
本文來源：清華大學精密儀器系成一諾同學的訪學總結報告
編輯：邵正隆 清華大學研究生院；
葉健成 清華大學研究生院學生記者