從毛細管電泳到微流控晶片實驗室

2021-01-09 中國科學院

林炳承 研究員,博士生導師,1944年11月生於浙江寧波。1968年畢業於南京工學院,1986年在中國科學院大連化物所獲博士學位。20世紀80年代從事色譜研究。90年代從事毛細管電泳研究,1999年起開始晶片實驗室研究。中國化學會毛細管電泳專業小組組長。德國洪堡基金、日本學術振興會研究員,比利時布魯塞爾自由大學訪問學者,香港大學、德國Tübingen大學、美國Truman州立大學、義大利科學院訪問教授。

1987年初,林炳承由洪堡研究基金資助,到德國吐賓根大學深造。一次在接待美國波士頓大學的B. Karger教授時他得知,美國Anak. Chem.(《分析化學》)雜誌剛剛引入了一個有生物學背景的博士作為編輯,以加強分析化學和生命科學結合的力度。這一消息引起他很深的共鳴。他一直認為,當代化學需要關注兩大對象,一是生命科學,二是材料科學,分析化學更多的是前者,這是20世紀後期科學發展進程決定的,不以個人的意志為轉移。在眾多的分析化學分支中,電泳技術已經在生物大分子的研究中顯示出了獨到的優勢,80年代以來,人們開始注意把支撐電泳過程的載體從平板轉移到50-100微米內徑的毛細管上,從而有可能使電泳技術兼有高效、快速等特點,從那時起他萌生了以毛細管電泳研究為切入點進入生命科學領域的想法。

回國以後,林炳承帶領幾名同事開始著手籌建一個全新的毛細管電泳實驗室。他們利用洪堡基金會贈送的價值4萬馬克的儀器和張存浩所長撥給的3萬元基金,迅速開展了第一輪研究工作。此後他們又和美國伯樂公司合作,充分利用對方提供的價值8萬美元的儀器和試劑、備件,有力地把研究工作推進到一個新的高度。

當然,一個新學科的建立和發展,不會是一帆風順的。90年代中前期,曾經有人對毛細管電泳的應用和市場前景產生質疑,並因此對其研究價值提出疑問。有一段時期,林炳承直面壓力,反覆思考,他以其豐富的學術積累和淵博的知識斷定,這是一個應當堅持的方向,不能動搖。他抓住毛細管電泳在基因診斷中可能產生的作用,創造實驗條件,促成與北京協和醫科大學合作,根據基因診斷中所涉及的問題,對毛細管電泳柱、篩分介質及理論等諸方面進行了深入的研究,並成功地在苯丙酮尿症等疾病的診斷上,取得了重大突破。與此同時,又和德國吐賓根大學合作,在毛細管電泳手性藥物拆分研究方面取得了一系列重要的進展。其中粘度和水處於同一數量級、解析度達到180萬理論塔板數/米的篩分介質的研製,手性拆分中「側位鍵合」模型的提出及其指導下的140種手性藥物的拆分,尿中痕量喋啶類腫瘤標記物的測定等工作都取得了處於國際前沿的成果。

1992年以來,林炳承領導課題組共發表論文146篇,出版《毛細管電泳導論》、《高效液相色譜在生命科學中的應用》等專著3部、文集6本,申請專利31項,其中授權12項,2002年獲遼寧省自然科學獎一等獎,先後主持第一、二、三、四、五屆全國毛細管電泳會,第一、二、三、四屆亞太國際毛細管電泳會。並被聘為國際「電泳」(Ekectrophoresis)雜誌和「生物化學與生物物理方法」雜誌(Jounak of Biochemicak and Biophysicak Methods, JBBM)惟一的中國編委。他的學術觀點和研究水平得到了國內外學術界同行的公認,他為中國躋身於國際毛細管電泳領域的先進行列做出了重要貢獻。

十年磨一劍,林炳承為推進我國的毛細管電泳研究作出了不懈努力,傾注了大量的心血。他認為,正在研究的理論、技術和方法就其基本面來說總是不成熟、不完整的,一旦成熟和完善就將被寫入教科書,或被做成產品。一個資歷較深的科學家的責任在於,當他的研究對象還不成熟、甚至是非常不成熟時,要看到它潛在的、本質的一面,並且牢牢地把它抓住。

就在毛細管電泳達到它的技術頂峰,作為主流平臺完成了人類基因組測序這一偉大工程的同時,一個以晶片為基礎,有可能集實驗室各種單元技術於一體,一度在業內被稱之為晶片毛細管電泳的技術悄然出現,這就是當前被譽為21世紀重要科學前沿之一的微流控晶片實驗室技術。

林炳承憑著他敏銳的科研直覺,迅速果斷地以晶片電泳為切入點,在非常短的時間內,把整個課題組的研究重點轉向以醫學診斷和藥物篩選為最終目的的微流控晶片實驗室研究。

曾經有一些人不解地提出,林老師的毛細管電泳搞得這麼好,為什麼又要去搞晶片?對此,林炳承有他自己的理解。他說:「搞科學研究,就得敢於去面對新的變化,我們的目的是探索、發現,一旦這一目標實現,還得敢於轉移,再去尋找新的生長點。這一點和搞地質找礦有點相似,都不那麼容易。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,但客觀上往往很重要,因為你所尋求的可能關係到未來一段時期國家在世界上的競爭力,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。」

為了促成晶片研究工作在全國範圍內的開展,林炳承隨中國分析化學家代表團陪同國家基金委部門領導到美國、加拿大考察,應邀到基金委作關於微流控晶片實驗室的專題報告,在大年初三接到基金委化學部領導電話後,立即就組織晶片研究重大專項基金一事起草報告給基金委領導,在訪問德國時多次用E-maik向所領導陳述意見……在基金委、中國科學院和大連化物所的支持下,他領導課題組在很短時間內研製出雷射誘導螢光晶片分析儀、電化學晶片分析儀和晶片聚合酶鏈反應(PCR)儀,研製出不同類型的玻璃晶片、PDMS晶片、可規模生產的注塑PMMA塑料晶片,並成功地實現了晶片上核酸、糖蛋白、多肽、胺基酸和手性分子的分離分析,開展了晶片平臺上的單細胞、單分子檢測研究。在抗擊「非典」時期,課題組臨危受命,迅速啟動「發熱型病毒性呼吸道疾病早期檢測系統的研究」攻關項目,最大限度地運用已有積累,在非常短的時間內,在自製的晶片儀和晶片上用自己設計的聚合酶鏈反應試劑盒進行「非典」病毒的陽性和陰性對照測定,在未見同類報導的情況下,取得了重要的階段性成果。

從毛細管電泳研究到微流控晶片實驗室的建立,十幾年來,林炳承牢牢把握住學科的研究方向,帶領課題組始終活躍在學術研究的前沿。林炳承所抓的研究方向,得到了國家自然科學基金委員會的高度重視和認同。1992年以來,他連續主持承擔了國家自然科學基金8個項目,其中包括5個面上項目、2個重點項目和1個重大項目子課題。而正是在這個過程中,這個課題組形成了自己核心的和極具特色的積累。「把握方向、長期堅持、強化積累、推動發展」,林炳承力圖將這樣一種理念貫穿於他長期的科學實踐之中。

撰稿人:鄒淑英

點評:

1987年,林炳承先生由美國《分析化學》雜誌將加強分析化學與生命科學結合的力度,萌生了以毛細管電泳研究為切入點進入生命科學領域的想法。20世紀90年代中前期,直面質疑,與國內外有關單位合作,不僅使毛細管電泳技術在苯丙酮尿症的診斷上取得重大突破,而且在毛細管電泳手性藥物拆分研究方面取得一系列重要進展。在毛細管電泳技術達到頂峰時,林先生又憑藉敏銳的科學直覺,適時把研究重點轉到以醫學診斷和藥物篩選為目的的微流控晶片技術上,經過近幾年努力,已取得重要的階段性成果。

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