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分析化学进入“生命研究”的时代——访清华大学化学系林金明教授
2016-05-07 22:57 阅读数:1141

[导读] 分析化学进入“生命研究”的时代 ——访清华大学化学系林金明教授

  分析化学的起源可追溯到古代的炼金术,随着科学技术的进步,分析化学发展到了“仪器分析”的阶段,并且随着以计算机技术为标志的信息时代的到来,分析化学已经不再局限于“是什么”的阶段,而是追求更多更全面的信息,特别是社会发展到如今,生命研究向人们提出了巨大的挑战,同时也赋予了分析化学更高的“使命”。

  当前,分析化学已经成为科学技术的眼睛,在人类的生产和生活中的地位越来越重要。那么,分析化学的发展都经历了什么样的发展阶段?当前最“热”的以及亟待解决的问题是什么?近期仪器信息网编辑采访了清华大学化学系林金明教授,请其为大家介绍一下分析化学的过去、现在和未来,以及其所在课题组近期的研究工作。

细数分析化学发展历程

  2012年10月份在青岛召开的第十一届分析化学年会上有一个最突出的特点:生命分析“闪耀”全场。对此,林金明介绍到,“生命分析‘大热’正是符合了分析化学的发展规律”。而作为一个科研工作者,很有必要了解分析化学的发展历程,并且明确分析化学现阶段的任务,这样才能更好的把控当前的研究工作,而不仅仅是为了“赶论文”。

  分析化学的“突跃”:从元素到分子

  “1000年以前甚至更早,用火烧的方式来识别铜和金,这就是早期的元素分析。再到后来的‘炼丹术’等各种方法基本上都跟元素有关系,整个过程持续了上千年。”

  “随着技术的发展,上个世纪初分析化学的研究领域从元素拓展到了小分子,这是分析化学的一个大‘突跃’。色谱技术的出现给小分子的分离和分析带来了很大的机会,其中气相色谱的出现使得挥发性和半挥发性的物质得以分离,而对于一些较大的分子,比如医药中的一些不能挥发的物质,气相色谱就不够用了,于是就出现了液相色谱。”

  “从上个世纪80年代直到本世纪初,以往的技术已经满足不了蛋白质、基因等更大分子的检测需求,于是就出现了电泳、毛细管电泳等技术,这项技术目前还在不断发展和完善之中。”

  “物质分离之后就需要检测,除了紫外、荧光等检测器,质谱是至今为止最典型的检测技术。”

  总体而言,在分析化学的发展历程中,社会的需求促进了分析仪器的发展,同时仪器技术的发展也进一步促进了科学技术的进步。不过,林金明还提到,“虽然分析化学从元素到小分子、中等分子、大分子,很多方法都有了,但还不是很完善,比如,更大分子的检测需求摆在了人类的面前,而且分子最大能到多大并没有一个极限,另外,对于一些有机高分子或者纳米材料的内部结构还没有搞清楚,等等这些都需要科学家不断地探索和研究。”

  分析化学的“挑战”:从无生命到有生命

  社会发展到现在这个阶段,人们的生活条件好了,但是却被各种各样的疾病问题所困扰。特别是癌症,我国首次发布《2012中国肿瘤登记年报》,报道了肿瘤发病情况。年报显示,我国每年新发肿瘤病例约为312万例,平均每天8550人,全国每分钟有6人被诊断为癌症。全国肿瘤死亡率为180.54/10万,每年因癌症死亡病例达270万例。由此来看,生命分析迫在眉睫!而研究构成生命的最小单元-细胞摆在了科研工作者的面前,也是目前必须要做的一件事情。

  林金明谈到,“之前的研究不管是元素、小分子,还是大分子,都是没有生命的。一旦涉及到生命活动的最小单位——细胞的检测,目前还是难题。现在的水平也只是简单的分离,还不能定性和定量的分析。”

  此外,林金明还介绍到,现在美国的一些化学家都在活跃于细胞的相关研究,主要包括两方面的内容:一是细胞本身的分离;二是细胞内部物质的检测。只是到现在为止都还没有一个很好的方法。

  “不过,细胞分析是时代发展的需要,也是目前分析化学向人们提出的‘挑战’。我认为,细胞分析可以使疾病的诊断更直接、更有效果,比如,以前是通过癌细胞释放出来的蛋白质的检测来判断是否患了癌症,但是癌症最初都是由癌细胞组成的,如果能解决细胞的定性和定量分析,只要测出有没有癌细胞,有多少,就可以直接判断是否患了癌症。”

一辈子科研聚焦两件事

  介绍完分析化学的发展历程,林金明介绍到:“前十年,我主要做化学发光免疫分析方面的研究工作,并且和企业合作实现了产业化;后十年,工作重点转向细胞分析技术及方法的研究。生命分析是目前的热点也是难点,我当前的工作就是‘迎难而上’”。

  前十年:化学发光免疫分析,是模仿,但是做到了实用

  化学发光在中国有很多人做,但是基本上没有或者很少有做到应用。林金明自2001年从日本回国之后到2011年十年的时间里一直致力于此项工作,实现了不同癌症标记物的检测,把化学发光免疫检测癌症产品做成了一个系列。这十年期间,他和北京科美东雅生物技术有限公司等单位合作,最终将这项技术推向了临床应用,现在试剂盒正在各大医院推广使用,同时也使得原来进口的化学发光试剂及仪器的价格有了很大程度的下降。就此项工作,林金明还编写《化学发光基础理论与应用》以及《化学发光免疫分析》两部著作。

  对于这项工作,林金明这样评价:“这是我前10年里做的一件非常有意义的事情,虽然,这项技术在国外用了十多年了,我们才模仿着去做,去推广,但是不管怎样也是一种技术进步,对社会有帮助。这些工作虽然文章发的不是很好,除了CAIA(中国分析测试协会科学技术奖一等奖)以及“中国产学研合作促进会创新成果奖”之外,也没去申请其它的奖。现在有很多公司也在模仿这项工作,不过,我认为作为一个科学家能将技术传递给大家就是一件自豪的事情。”

  据林金明介绍,在化学发光免疫分析试剂盒以及其他技术的产业化方面与企业的合作很愉快,目前实验室研究经费的一半左右来自企业合作。对当前科研院所和企业合作过程中的一些问题,林金明认为,“首先科研院所的工作要做到精致,必须要重现、可靠、有坚实的理论基础才能交给企业进行后期的产业化;另外,科学家把利益看少一些,做自己喜欢的事情。这样既可以解决企业开发能力弱的问题,科研院所的经费也能得到不小的补充。”

  后十年:细胞研究,创新,致力于实用并提升理论水平

  林金明说,现在分析化学的热点是生命科学,而其后十年工作亦将紧扣时代需求,重点做细胞相关的研究工作,不仅要解决实际问题,还要在理论上有所提升。“癌细胞和正常细胞之间的相互作用过程在国际上也没有很清晰的理论,我希望通过化学的手段来解释生物学的过程,这是非常明确的一个目标,我将致力于这项工作直到退休为止”。

  “但是在做的过程中感觉难度很大,比如有些癌细胞在体内的含量特别少,活体细胞很难保存等。最终选择了多通道微流控芯片技术进行细胞的培养、分离。在检测技术方面,我尝试了化学发光、荧光、紫外、电化学等方法,最后发现所有的检测方法各有优势,但是也都有不同程度的缺陷,最后选择了质谱这一当前最普遍、信息量也较为全面的检测技术。”

  “其实,微流控芯片和质谱联用技术很早就有了,但是大多是单通道芯片,我们希望建立多通道的微流控芯片和质谱的联用。因为这项工作很综合,要会做芯片,要懂细胞学,还要懂质谱。另外由于细胞代谢物很少,还需要样品前处理、富集与分离的知识。而现在很多实验室做的很‘专’,所以国内外都很少有人做。与他们不同,我们实验室做的比较‘杂’,检测、分离、样品前处理等都有,在细胞培养方面也招了生物系的学生一起来做,并且之前的一些工作也打下了很好的基础,所以我们有能力做这项工作。”

  谈到这项技术的前景,林金明说:“GC-MS(气相色谱-质谱联用),解决了小分子的分离检测问题;LC-MS(液相色谱-质谱联用)解决了中等大小非挥发物质的分离和检测问题;CE-MS(毛细管电泳-质谱联用)实现了蛋白质、基因的分离和检测;若微流控芯片和质谱的联用能够解决的好,就可以解决细胞的分离和检测,另外小分子、中等分子、大分子等的分离和检测也都可以在此平台上实现。”

  采访手记:

  大家都知道分析化学作为一个工具,科学家若是看不到应用的前景或者理论系统的提升,做起来会很枯燥。但是林金明却将在科研工作中解决问题当成一种乐趣。采访的过程中,林老师还给我们展示了很多“宝贝”——液基细胞保存液、基因检测芯片等,就连最普通的毛细管也能给我们演示出应用的价值。林金明反复表示,这是他自己喜欢做的事情,能为中国的分析化学做一些贡献,这是值得高兴的事情。

  采访中我们也发现,林金明在科研工作中目标性特别强,并且致力于将科研成果做到实用。对于科研工作中不懂的地方,林金明始终在学习。我们在其办公室中发现书架以及办公桌上都摞了很多书,其中有一本厚厚的《细胞的分子生物学》就在电脑旁边。据林金明介绍,在我们去之前,他正在学习这本书的内容。

  采访编辑 叶建

  附:林金明个人简历

  林金明,清华大学化学系,教授,博士生导师,教育部长江特聘教授。

  1984年福州大学毕业,1992-2002年在日本留学和工作,1997年3月获得日本东京都立大学工学博士学位,同年留学任教。2000年入选中国科学院“百人计划”,受聘中国科学院生态环境研究中心研究员,博士生导师,环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任。2001年获得国家杰出青年科学基金,2004年入选清华大学“百人引进”,2008年受聘教育部长江特聘教授。

  现为清华大学分析中心主任,化学系教授,副系主任,分析化学研究所所长。兼任中国化学会副秘书长,中国分析测试协会理事,Trends in Analytical Chemistry责任主编,Current Anal. Chem.副主编,J. Pharm. Anal.副主编,Talanta、Luminescence、J. Flow Injection Anal.等10多种国内外杂志编委。目前研究方向为超微弱化学发光研究及微流控芯片上的细胞分析方法研究。先后培养博士生34名(其中留学生1名),博士后9名(其中留学生2名)、硕士生21名。目前在校博士后3名(留学生1名),博士生9名(其中留学生1名,联合培养1名)。

  林金明研究组:http://www.linlab-tsinghua-edu.org

  邮箱:jmlin@mail.tsinghua.edu.cn

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