微流控技術醫學應用潛力巨大 I 先進院科研團隊發力「片上實驗室」

回國不到一年的楊慧博士，已經在深圳先進院生物醫學與健康工程研究所緊鑼密鼓地開展研究工作。她外表文弱而知性，談起她所熟悉的微流控技術眸子里閃爍動人的光彩。

她曾在歐洲科研機構學習和工作長達8年，並且採用光子納米噴流效應與普通光學顯微鏡相結合，實現了打破衍射極限的顯微成像系統，能夠分辨納米特徵，這項研究是國際上基於微球透鏡光子納米噴流效應的納米顯微鏡在生物成像領域中的首次應用，實現了對多種亞細胞結構及線粒體編碼蛋白表達的實時動態觀測，獲得了國內外學界廣泛的引用和重視。

參與歐洲重大科技攻關課題

楊慧博士於在2009年至2015年在瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）微系統與微電子系攻讀博士學位並開展博士後工作，從事微流控與生物醫學微系統的相關前沿研究，參與多項瑞士國家自然科學基金、歐盟研究委員會高級研究項目、歐盟第七框架研究基金項目等，獲得出色成果。

楊慧博士近照。

「我在高校從事研究工作6年之後，希望把優秀的科研成果在應用方向上做出新的嘗試，我於2015年至2017年作為研究科學家任職於比利時歐洲微電子研究中心IMEC，致力於科技成果轉化方面工作，主要開展片上集成微流控晶元與微納米光學技術的前沿研究，在重大科技攻關課題——全集成人體全血檢測晶元MiLab項目中從事技術研發與項目管理，負責子課題『片上免疫熒光檢測』與『片上全血流式細胞檢測』的相關工作。該項研究獲得6000萬歐元投資，屬於超大型的前沿科技項目。」 楊慧介紹道，這個項目研究目標通俗地說就是將一滴血放在晶元上，在沒有任何驅動力作用下，集成了多個功能的晶元可以對血液中的多個疾病標誌物進行自動探測、化驗， 並將檢測結果通過藍牙傳輸給智能手機並通知家庭醫生。這些疾病標誌物主要包括血球、免疫蛋白質標記物、生化標記物和病毒四大種類。

「片上實驗室」屬於科技前沿研究

「片上實驗室」(Lab-on-a-Chip)是國際科技前沿研究，科學家們希望把傳統實驗室的多項功能集成微縮在一個晶元上，用戶在一個拇指甲大小的一次性使用的晶元上準確、可靠地處理並分析病患的微量樣品——血樣、血清、尿液、汗液或呼吸道抹片。這種化驗方法可以縮短化驗時間，降低化驗的複雜性，降低化驗成本以及傳統分析方法固有的交叉污染的危險。

楊慧說：「將激光器、光波導、調製器、開關、探測器等光學元件有機地集成到微流控晶元上，構成片上實驗室系統，為實現多功能生物醫學感測的微型化晶元奠定基礎，這需要集成許多高精尖的技術才能達到目標。我的研究主要是將微流控技術與精密微納光學結合起來，針對多種微納尺度生物對象進行檢測、操縱與成像。」

據介紹，許多重要的生物標記物如核酸、抗體、病毒和亞細胞結構等都處於 1-100nm 尺度範圍內，受限於光學衍射極限，普通光學顯微鏡無法分辨小於 200nm 特徵尺寸的生物結構。而具有超分辨能力的光學顯微系統，往往價格十分昂貴，動輒數百萬元一台，體積巨大或需要複雜製造工藝等特點，不適用於快速檢測的應用場景，難以大規模推廣使用。如何通過微流控技術結合微納光學結構將大型超解析度的顯微成像設備小型化呢？

楊慧研究小組做出了突破性的貢獻，從機理與應用層面系統地研究基於光子納米噴流效應的超解析度光學成像技術，實現了打破衍射極限的超級微透鏡，成像精度50 納米，並在國際上首次將此技術應用於生物成像領域，實現了對多種亞細胞結構及線粒體編碼蛋白表達的實時動態觀測，此項成果選為 Small（2014，Volume 10，No. 9）封底文章（圖1），自2014年發表至今已被引用超60次，此後，她進一步論證了這項技術是可對一系列生物對象進行超分辨成像的強大靈活的工具，並進一步開發了掃描式納米光學顯微系統；同時，她創新性地解決了超分辨光學檢測陣列難以集成於微流控器件的應用難題，實現了在微通道內對納米樣品進行快速檢測的方法，可檢測特徵尺寸為20納米的疾病相關生物標記物，證明了其在疾病早期體外診斷方面廣闊的應用前景（圖2），在微納生物/化學分析領域應用廣泛，成果包括一項國際發明專利（WO/2016/020831）。

圖1:基於光子納米噴流效應的超分辨顯微成像工作作為封底文章發表於Small期刊。

圖2: 微球透鏡陣列在微流體通道內對納米樣品進行快速檢測，發表於Nano Letters期刊。

回國仍想專心做尖端科研

作為廣東省「珠江人才計劃」引進創新創業團隊核心成員，楊慧博士於2017年10月回國，在中科院深圳先進技術研究院繼續開展生物醫學微系統前沿科學研究。

「科研工作主導力量是創新性，研究科學問題，提出新的理論與解決方案，而產業化工作更多地強調對多種技術的有效整合，實現最穩定的應用效果。」有多年研發工作經驗的楊慧如此說，「我選擇到先進院，就是要繼續在科研道路上走得更遠，在前沿研究上努力獲得更多的成果，而微流控技術本身的應用屬性，能夠為生物醫學與醫藥等領域提供新的研究方法與工具，我也希望藉助深圳非常好的產業化環境，能夠在今後將我們的研究成果推向產業應用。」

楊慧博士在先進院生物醫學與健康工程研究所組建了「生物醫學微系統與納米器件」研究課題組（Laboratory of Biomedical Microsystems and Nanodevices, BioMiND Lab），致力於微流控技術在生物醫學上的應用研究，包括三個方向：一是低成本疾病診斷技術；二是生物單分子檢測與成像技術；三是腫瘤免疫反應和免疫治療的生物學機理研究。

楊慧博士研究團隊。

目前，楊慧研究團隊所承擔的「基於 MEMS/NEMS 技術的植入式生理信息感測器關鍵技術研究」、所參與的「片上集成免疫熒光檢測微機電系統關鍵技術研究」已經獲得深圳市學科布局項目的資助。

人物簡介

楊慧博士於在2009年至2015年於瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）微系統與微電子系攻讀博士學位與博士後研究員工作期間，從事微流控與生物醫學微系統的相關前沿研究，參與多項瑞士國家自然科學基金、歐盟研究委員會高級研究項目、歐盟第七框架研究基金項目等，獲得出色成果。在科技成果轉化方面具有豐富的經驗，於2015年至2017年作為研究科學家任職於比利時歐洲微電子研究中心（IMEC），主要開展片上集成微流控晶元與微納米光學技術的前沿研究，在IMEC重大科技攻關課題「全集成人體全血檢測晶元MiLab項目（6000萬歐元投資）中從事技術研發與項目管理，負責子課題「片上免疫熒光檢測」與「片上全血流式細胞檢測」的相關工作。作為廣東省「珠江人才計劃」引進創新創業團隊核心成員於2017年10月回國，在中科院深圳先進技術研究院繼續開展生物醫學微系統前沿科學研究。迄今已經在Chemical Society Reviews (IF: 38.618), Nano Letters (IF: 12.712), Small (IF: 8.643), Analytical Chemistry (IF: 6.32)等國際著名SCI刊物和國際會議上作為第一作者或通訊作者發表論文30餘篇。科研成果被多個國際著名科技媒體進行專題報道，多次應邀做國際會議邀請報告，擔任多個國際期刊審稿人，已授權國際專利1項。

本文作者：小鉅，一個有志於做最會講科技人士創新故事的新媒體人。如有轉載本文，請註明出處，轉自「鉅弘文化」。

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